La médecine a été une grande motivation dans la recherche en informatique, et nous pensons que la simulation de procédures médicales sera un élément majeur de la médecine du 21e siècle. Pour ces applications, la simulation physique doit être interactive et proposer un comportement et un rendu visuel des objets simulés qui soient réalistes tout en faisant avec un temps de calcul limité. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la simulation du geste chirurgical de la suture, faisant interagir des modèles hétérogènes (rigides, déformables 1d et 3d) dans la reproduction d'un geste complexe. Nous proposons de modéliser ces interactions par des contraintes de complémentarité, avec une méthode générique et une résolution indépendante des types de contraintes utilisées. Cette approche a permis la mise au point de contraintes spécifiques pour créer des modèles d'interaction nouveaux. Ces contraintes ont permis une simulation complète de l'insertion d'aiguille, validée par les mesures expérimentales des travaux antérieurs, qui suit les lois physiques et s'adapte à la manipulation de l'utilisateur. Enfin, une simulation interactive très réaliste a été réalisée pour l'entraînement au geste de suture dans le cadre d'opérations laparoscopiques. / Medicine has been a great motivation in computer science, and we think the simulation of medical gestures will be an important part of the medicine of the 21st century. For these applications, the physical simulation has to be interactive and use realistic models for the behavior and the visualization of the simulated objects, all in a limited computation time. In this work, we have looked at the medical simulation of the complex gesture of the suture, where heterogeneous models interact (rigids, 1d and 3d deformable models). We propose a generic method based on complementarity constraints for the modelisation of these interactions, using a resolution independent of the types of constraints used in the simulation. This approach enabled us to create specific constraints for new interaction models. Using these constraints following the physical laws, a complete simulation of the insertion of needles has been proposed. The user has the control over this interactive simulation, and the interaction model has been validated using previous experimental measures. A realistic interactive simulation of the suture has been created for the training of surgeons during laparoscopic operations.

La radiologie interventionnelle est une technique chirurgicale minimallement invasive qui permet d'atteindre des organes à traiter avec des aiguilles, guidées à partir d'images scanner. Bien que cette technique offre de nombreux avantages, l'exposition aux rayons X qu'elle occasionne est nocive pour le radiologue. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un système de téléopération avec retour d'efforts. Son cahier des charges a été établi à partir d'expériences in-vivo, qui ont notamment conduit à la modélisation des forces lors d'une insertion. Le système développé répond aux contraintes liées à l'utilisation des rayons X et aux besoins des praticiens. Une étude approfondies a permis de déterminer la commande bilatérale la mieux adaptée à l'application. Pour améliorer la perception des efforts, deux approches ont été étudiées. La première est une synthèse automatique de la commande en effort côté maître. La seconde vise à accroître la sensation de passage entre les tissus.

La médecine a été une grande motivation dans la recherche en informatique, et nous pensons que la simulation de procédures médicales sera un élément majeur de la médecine du 21e siècle. Pour ces applications, la simulation physique doit être interactive et proposer un comportement et un rendu visuel des objets simulés qui soient réalistes tout en faisant avec un temps de calcul limité. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à la simulation du geste chirurgical de la suture, faisant interagir des modèles hétérogènes (rigides, déformables 1D et 3D) dans la reproduction d'un geste complexe. Nous proposons de modéliser ces interactions par des contraintes de complémentarité, avec une méthode générique et une résolution indépendante des types de contraintes utilisées. Cette approche a permis la mise au point de contraintes spécifiques pour créer des modèles d'interaction nouveaux. Ces contraintes ont permis une simulation complète de l'insertion d'aiguille, validée par les mesures expérimentales des travaux antérieurs, qui suit les lois physiques et s'adapte à la manipulation de l'utilisateur. Enfin, une simulation interactive très réaliste a été réalisée pour l'entraînement au geste de suture dans le cadre d'opérations laparoscopiques.

Ces travaux de thèse apportent plusieurs contributions à la conception de dispositifs d'assistance robotisés pour la réalisation de procédures d'insertion d'aiguille sous imageur à rayons X. Partant de la tâche de positionnement et d'orientation d'une aiguille, plusieurs architectures mécaniques inédites à quatre degrés de liberté ont été proposées. Un algorithme de synthèse dimensionnelle a été conçu pour calculer les paramètres structuraux de ces mécanismes en étudiant leurs singularités, tout en tenant compte des contraintes antagonistes de compacité du système, de capacité d'actionnement et de taille d'espace de travail. Une décomposition modulaire du dispositif d'assistance a permis de proposer des solutions pour un outil dédié à l'insertion d'aiguille avec retour d'effort. Cet outil comporte un dispositif d'insertion, un système de préhension d'aiguille et un capteur d'effort spécifique pour le retour d'effort. / This thesis focuses on finding solutions for the design and the technological bottlenecks involving development of a slave robotic assistant for needle insertion procedures. The needed functionalities for the slave device were sought to be achieved by adopting a modular approach. This required the design and the development of different devices which satisfy targeted functionalities. A study of needle positioning devices was carried out which led to the synthesis of novel mechanisms for the task of needle axis translation and the needle axis orientation. A novel dimensional synthesis algorithm was developed to calculate the structural parameters of these mechanism while studying their singularities and considering the antagonistic constraints of system compactness, actuation torques and workspace size. The modular decomposition also allowed to offer solutions for an insertion tool dedicated to needle insertion with force feedback. This insertion tool consists of a device for inserting the needle, a device for grasping the needle and a force sensor for force feedback.

Les techniques d'insertion d'aiguille font partie des interventions chirurgicales les plus courantes. L'efficacité de ces interventions dépend fortement de la précision du positionnement des aiguilles dans un emplacement cible à l'intérieur du corps du patient. L'objectif principal dans cette thèse est de développer un système robotique autonome, capable d'insérer une aiguille flexible dans une structure déformable le long d'une trajectoire prédéfinie. L’originalité de ce travail se trouve dans l’utilisation de simulations inverses par éléments finis (EF) dans la boucle de contrôle du robot pour prédire la déformation des structures. La particularité de ce travail est que pendant l’insertion, les modèles EF sont continuellement recalés (étape corrective) grâce à l’information extraite d’un système d’imagerie peropératoire. Cette étape permet de contrôler l’erreur des modèles par rapport aux structures réelles et ainsi éviter qu'ils divergent. Une seconde étape (étape de prédiction) permet, à partir de la position corrigée, d’anticiper le comportement de structures déformables, en se reposant uniquement sur les prédictions des modèles biomécaniques. Ceci permet ainsi d’anticiper la commande du robot pour compenser les déplacements des tissus avant même le déplacement de l’aiguille. Expérimentalement, nous avions utilisé notre approche pour contrôler un robot réel afin d'insérer une aiguille flexible dans une mousse déformable le long d'une trajectoire (virtuelle) prédéfinie. Nous avons proposé une formulation basée sur des contraintes permettant le calcul d'étapes prédictives dans l'espace de contraintes offrant ainsi un temps d'insertion total compatible avec les applications cliniques. Nous avons également proposé un système de réalité augmentée pour la chirurgie du foie ouverte. La méthode est basée sur un recalage initial semi-automatique et un algorithme de suivi peropératoire basé sur des marqueurs (3D) optiques. Nous avons démontré l'applicabilité de cette approche en salle d'opération lors d'une chirurgie de résection hépatique. Les résultats obtenus au cours de ce travail de thèse ont conduit à trois publications (deux IROS et un ICRA) dans les conférences internationales puis à un journal (Transactions on Robotics) en cours de révision. / Needle-based interventions are among the least invasive surgical approaches to access deep internal structures into organs' volumes without damaging surrounding tissues. Unlike traditional open surgery, needle-based approaches only affect a localized area around the needle, reducing this way the occurrence of traumas and risks of complications \cite{Cowan2011}. Many surgical procedures rely on needles in nowadays clinical routines (biopsies, local anesthesia, blood sampling, prostate brachytherapy, vertebroplasty ...). Radiofrequency ablation (RFA) is an example of percutaneous procedure that uses heat at the tip of a needle to destroy cancer cells. Such alternative treatments may open new solutions for unrespectable tumors or metastasis (concerns about the age of the patient, the extent or localization of the disease). However, contrary to what one may think, needle-based approaches can be an exceedingly complex intervention. Indeed, the effectiveness of the treatment is highly dependent on the accuracy of the needle positioning (about a few millimeters) which can be particularly challenging when needles are manipulated from outside the patient with intra-operative images (X-ray, fluoroscopy or ultrasound ...) offering poor visibility of internal structures. Human factors, organs' deformations, needle deflection and intraoperative imaging modalities limitations can be causes of needle misplacement and rise significantly the technical level necessary to master these surgical acts. The use of surgical robots has revolutionized the way surgeons approach minimally invasive surgery. Robots have the potential to overcome several limitations coming from the human factor: for instance by filtering operator tremors, scaling the motion of the user or adding new degrees of freedom at the tip of instruments. A rapidly growing number of surgical robots has been developed and applied to a large panel of surgical applications \cite{Troccaz2012}. Yet, an important difficulty for needle-based procedures lies in the fact that both soft tissues and needles tend to deform as the insertion proceeds in a way that cannot be described with geometrical approaches. Standard solutions address the problem of the deformation extracting a set of features from per-operative images (also called \textit{visual servoing)} and locally adjust the pose/motion of the robot to compensate for deformations \cite{Hutchinson1996}. [...]To overcome these limitations, we introduce a numerical method allowing performing inverse Finite Element simulations in real-time. We show that it can be used to control an articulated robot while considering deformations of structures during needle insertion. Our approach relies on a forward FE simulation of a needle insertion (involving complex non-linear phenomena such as friction, puncture and needle constraints).[...]