Cette thèse porte sur la conception et la validation expérimentale d’une architecture de téléopération avec retour d’effort pour la chirurgie endoluminale. Dans cette perspective, un robot chirurgical, à échelle mésoscopique, a été utilisé en tant que dispositif téléopéré. Ce robot, nommé SPRINT, a été développé dans le cadre du projet Européen ARAKNES (FP7, bourse no. 224565). L’objectif de ce projet, est d’insérer les degrés de liberté robotisés nécessaires aux manipulations chirurgicales à l’intérieur de la cavité péritonéale, ce qui permet d’apporter une assistance active durant la chirurgie laparoscopique à trocart unique. Pour répondre à cette problématique, plusieurs études ont été menées. Tout d’abord, une analyse détaillée du processus de conception des robots chirurgicaux a été réalisée, afin de garantir le transfert des technologies issues de la recherche vers le bloc opératoire. Puis, la mise en œuvre d’une architecture logicielle générique et temps réel a été décrite, servant de base au système actuel. Ce dernier est constitué d’un contrôleur adaptatif qui utilise un observateur d’état actif (AOB) ainsi qu’un modèle viscoélastique de tissus mous du type Kelvin- Boltzmann. Une telle association permet d’améliorer les performances du système de téléopération par rapport aux contributions précédentes qui utilisaient des modèles moins réalistes de tissus, tel que le modèle élastique. Dans ce contexte, deux schémas de téléopération de type “position-position” et “position-force” ont été proposés afin de répondre aux contraintes matérielles de la plateforme ARAKNES. La transparence et la stabilité, i.e. les deux paramètres qui permettent de quantifier les performances des systèmes téléopérés, des schémas proposés ont été étudiées. De plus, les effets d’une mise à l’échelle des positions qui sont commandées par le chirurgien, ainsi que des efforts ressentis par ce dernier, ont été examinés du point de la performance du système téléopéré. Enfin, la possibilité d’effectuer une commande sans-fil des robots chirurgicaux a été aussi abordée afin d’augmenter les libertés de mouvement des méso-robots et d’explorer les possibilités d’amélioration en termes de performance mécanique et de miniaturisation. / This dissertation deals with the design, implementation and experimental validation of a force-reflecting teleoperation architecture for robotic assisted endoluminal surgery. For this purpose, a meso-scale surgical robot was used as target device to be teleoperated. This robot, codenamed SPRINT, was developed during the ARAKNES European project (FP7, grant agreement no. 224565). The key idea of ARAKNES was to transfer the robot’s degrees of freedom required for surgery inside the peritoneal cavity, allowing to provide robotic assistance in single port laparoscopic surgery. In order to attain the objectives of this work, several studies were carried out : First, the specifics of surgical robotic design were investigated with the objective of guar- anteeing the technology transfer from research centers into the operating room. Second, a generic real-time software architecture for surgical robots was described, serving as support for the current implementation of the teleoperation control system. The latter system employs an adaptive controller which is based on an active state observer (AOB) and a viscoelastic Kelvin-Boltzmann soft-tissue environment model. This com- bination allows improving the performance with respect to previous works in the field that use less realistic soft-tissue environment models, such as the elastic model. In this context, two teleoperation schemes of types “position–position” and “position–force” were proposed in order to fulfill the hardware requirements of ARAKNES. Both schemes were analyzed in terms of their transparency and stability, i.e. the two parameters that allow quantifying the performance of teleoperated systems. Furthermore, the effects of scaling the po- sitions and the forces which are respectively commanded and felt by the surgeon, were examined regarding the surgeon’s performance, and also the system’s performance. Finally, the possibility of performing wireless control of surgical robots was also explored in order to increase the freedom of movement and, possibly, to improve the mechanical performance and/or miniaturization of the surgical robots that were employed.

Ce travail porte sur le développement d’une nouvelle technique de diagnostic associant la résonance magnétique à haute résolution spatiale à la spectroscopie optique d’autofluorescence et de réflectance. La mise au point d’une telle sonde endoluminale bimodale s’inscrit dans les recherches de méthodes complémentaires ou alternatives à l’endoscopie conventionnelle pour le diagnostic précoce des pathologies du tube digestif. En effet le cancer colorectal représente aujourd’hui un enjeu majeur de santé publique avec plus de 1,2 millions de cas diagnostiqués dans le monde sachant que le taux de survie à 5 ans d’un patient est actuellement de 94% dans le cas de lésions détectées à un stade précoce (stade I) et seulement de 8% à un stade tardif (stade IV). Dans la première partie du manuscrit, nous abordons les différentes modalités d’imagerie et d’analyse spectrale en cours de développement ou d’évaluation, en mettant l’accent sur les principes physiques utilisés en RMN et spectroscopie optique. Dans une deuxième partie, nous détaillons la conception et la réalisation de prototypes de sondes endoluminales ainsi que les bancs optiques associés. Nous traitons également de la mise en oeuvre de dispositifs d’acquisition ainsi que des méthodes d’analyse de données au moyen de programmes informatiques dédiés. Dans une dernière partie, le système bimodal est caractérisé et validé lors d’études sur fantômes et une étude in vivo sur lapin. Les images obtenues par RM, fournissant l’information morphologique des échantillons ou du tissu, et les spectres optiques liés à leur composition sont corrélés / The main aim of this work is the development of a new diagnostic technique combining high spatial resolution MRI to autofluorescence and reflectance spectroscopy through the conception of a bimodal endoluminal probe. Such a technique falls within the framework of alternative innovative techniques to conventional colonoscopy that would allow better sensitivity to early stage digestive pathologies. Colorectal cancer is today a major health issue worldwide with more than 1.2 million cases diagnosed each year bearing the fact that the 5 year survival rate is 94% when precancerous lesions are diagnosed at an early stage (stage I) and only 8% when diagnosed at an advanced stage (stage IV). The promising imaging and spectral analysis techniques under investigation or undergoing clinical evaluation in different parts of the world are presented in the first chapter of this manuscript along with the basic physics involved in magnetic resonance imaging and optical spectroscopy. Chapter 2 gives a detailed description of the work carried out in devising and conceiving different endoluminal bimodal probe prototypes along with the dedicated optical test benches. Dedicated data processing and visualisation programmes developed are also presented within this chapter. The final chapter of this work deals with the different studies carried out in-vitro on different phantoms and in-vivo on a rabbit. Morphological information obtained through the MR images are also correlated to the biochemical information through the autofluorescence and reflectance spectra