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.

Ces travaux mettent en place les bases d'une architecture de vision 3D pour un projet de plate-forme robotique de compensation de mouvements cardiaques, pour la chirurgie coronarienne mini-invasive à cœur battant. Les objectifs recherchés sont le suivi et la reconstruction en temps réel des mouvements du cœur, à partir des images fournies par une ou deux caméras. Une première contribution est la sélection d'un ensemble de descripteurs optimaux pour l'analyse de la texture du cœur, réalisée par des méthodes d'analyse statistique multidimensionnelle. Ce jeu de descripteurs est alors mis en œuvre dans un algorithme original de suivi hybride, qui utilise à la fois des informations issues de l'analyse de texture et de la mise en correspondance de motifs. Cet algorithme est évalué sur des images de synthèse ainsi que sur des images acquises in vivo grâce à une plate-forme d'acquisition haute fréquence développée pour l'occasion. Cette évaluation montre l'avantage de coupler l'information de motif avec l'information de texture au niveau de la robustesse du suivi vis-à-vis des déformations de l'organe. Nous proposons ensuite d'appliquer ces méthodes à la reconstruction 3D des mouvements du cœur par stéréo-vision. Cette méthode utilise l'analyse de texture afin d'améliorer le recalage des données entre les vues. Des résultats sont présentés sur des images expérimentales afin d'illustrer la méthode.

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d'un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d'un robot de télé-échographie et d'un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l'amélioration de la compacité d'une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l'ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l'optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d'améliorer les performances en termes de force et vitesse à l'effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d'adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l'aspect imparfait du processus créatif.

Le guidage robotisé d'une aiguille a été le sujet de nombreuses recherches ces dernières années afin de fournir une assistance aux cliniciens lors des procédures médicales d'insertion d'aiguille. Cependant le contrôle précis et robuste d'un système robotique pour l'insertion d'aiguille reste un grand défi à cause de l'interaction complexe entre une aiguille flexible et des tissus ainsi qu'à cause de la difficulté à localiser l'aiguille dans les images médicales. Dans cette thèse nous nous concentrons sur le contrôle automatique de la trajectoire d'une aiguille flexible à pointe biseautée en utilisant la modalité échographique comme retour visuel. Nous proposons un modèle 3D de l'interaction entre l'aiguille et les tissus ainsi qu'une méthode de suivi de l'aiguille dans une séquence de volumes échographiques 3D qui exploite les artefacts visibles autour de l'aiguille. Ces deux éléments sont combinés afin d'obtenir de bonnes performances de suivi et de modélisation de l'aiguille même lorsque des mouvements des tissus sont observés. Nous développons également une approche de contrôle par asservissement visuel pouvant être adaptée au guidage de différents types d'outils longilignes. Cette approche permet d'obtenir un contrôle précis de la trajectoire de l'aiguille vers une cible tout en s'adaptant aux mouvements physiologiques du patient. Les résultats de nombreux scénarios expérimentaux sont présentés et démontrent les performances des différentes méthodes proposées. / The robotic guidance of a needle has been the subject of a lot of research works these past years to provide an assistance to clinicians during medical needle insertion procedures. However, the accurate and robust control of a needle insertion robotic system remains a great challenge due to the complex interaction between a flexible needle and soft tissues as well as the difficulty to localize the needle in medical images. In this thesis we focus on the ultrasound-guided robotic control of the trajectory of a flexible needle with a beveled-tip. We propose a 3D model of the interaction between the needle and the tissues as well as a needle tracking method in a sequence of 3D ultrasound volumes that uses the artifacts appearing around the needle. Both are combined in order to obtain good performances for the tracking and the modeling of the needle even when motions of the tissues can be observed. We also develop a control framework based on visual servoing which can be adapted to the steering of several kinds of needle-shaped tools. This framework allows an accurate placement of the needle tip and the compensation of the physiological motions of the patient. Experimental results are provided and demonstrate the performances of the different methods that we propose.

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d’un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d’un robot de télé-échographie et d’un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l’amélioration de la compacité d’une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l’ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l’optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d’améliorer les performances en termes de force et vitesse à l’effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d’adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l’aspect imparfait du processus créatif. / In this thesis, we propose a contribution to the design of medical robots, by offering a concurrent design or simultaneous approach. As opposed to a natural sequential view of the design process, the formalization of the creative process allows simultaneity, paving the way for innovative structures, dedicated: in the medical robotic field, low mass and low compactness of the mechanical structure are often sought. From a description of existing approaches, we design a tele-ultrasound robot and a minimally invasive surgery robot. For both applications, high physical integration is required. For tele-ultrasound robots, portability is highly sought, requiring low compactness. For minimally invasive surgery, geared motors of the in vivo robot must be sized correctly. Here, we formalized the improvement of compactness of an existing parallel structure for remote ultrasound application. The results show an improvement of compactness of around 5%. In the same way, we formalize the dimensional synthesis of two robots 2R-R-R for in vivo minimally invasive surgery. The results show the under-sizing of some actuators. We perform simultaneous optimization between the design of geared motors and lengths of the body of a robot 2R-RR, tendering towards full simultaneity of the creative process, allowing to improve minimal force and velocity at the end-effector of the robot. These experiments of design show limits to a strict simultaneity. We indicate the need to adapt the tools and methods of mechatronic design for simultaneous robotics design, taking into account the imperfect aspect of the creative process.

L'objectif de ce travail est de concevoir une nouvelle interface haptique en vue de son exploitation pour la chirurgie mini-invasive. La technique d'anastomose ciblée consiste à réunir deux parties désolidarisées d'une artère par des sutures et des nœuds. Ceci est effectué par des outils chirurgicaux introduits à travers de petites incisions. Une étude expérimentale de cette tâche a été effectuée en collaboration avec des chirurgiens afin de caractériser leurs gestes. L'enregistrement de l'opération par un système de capture de mouvement a permis d'identifier la nature et les gestes canoniques de cette technique. Une structure parallèle sphérique a été ensuite adoptée comme base de l'interface haptique. Cette architecture présente un centre fixe de rotation semblable au point d'incision réel et offre les trois degrés de liberté de rotation nécessaires autours de ce point. Une étude détaillée de cette architecture suivie d'une phase d'optimisation, a permis d'adapter la structure à l'application chirurgicale. L'optimisation, basée sur un algorithme générique, a porté dans un premier lieu sur l'espace de travail de la tâche. La dextérité de la structure a été ensuite prise en compte. Une phase de conception basée sur les paramètres résultants de cette optimisation a aboutie à la réalisation d'un premier prototype. L'influence des erreurs de fabrication sur l'orientation de la plateforme a été aussi traitée dans ce travail afin de déterminer les plages des défauts admissibles. Une modélisation, utilisant les torseurs de petits déplacements, a été élaborée.La dernière partie de ce travail porte sur la commande a retour d'effort de l'interface. Un banc d'essais à 1 degré de liberté a été réalisé afin de tester les différents schémas de contrôle pour la téléopération. Les essais en simulation on permit de dresser une vue comparative de ces schémas. / The aim of this work is to develop a new haptic interface to perform a minimally invasive surgery. The targeted anastomosis technique consists of the surgical binding of a ruptured blood vessel, using sutures and knots. This task is performed by surgical tools inserted through small incisions. An experimental study of this task was conducted in collaboration with surgeons in order to characterize their gesture. The recording of the operation by a motion capture system helped identifying the nature and the canonical actions of this technique. A spherical parallel mechanism (SPM) was then adopted as a basis for the haptic interface. This architecture has a fixed center of rotation similar to the real incision point and offers the three required degrees of freedom of rotation around that point. A detailed study of the architecture followed by an optimization procedure led to a suitable mechanism for the surgical application. The optimization, which is based on a generic algorithm, used the workspace of the task as a criterion. Then the dexterity of the structure was taken into account. A design phase based on the parameters resulting from this optimization led to building the first prototype.The influence of manufacturing errors on the orientation of the platform was also addressed in this work to determine the ranges of allowable defects. The manufacturing errors are modeled by screws of small displacement in order to determine their effect on the orientation error of the end effector. The last part of this work focuses on the command of the force feedback interface. An experimental setup made out of a one degree of freedom system, was built to test different control schemes for teleoperation. Simulation trials allowed developing a comparative view of these schemes.

Dans ce travail, le concept d'approche mini-invasive est décrit dans sa globalité. Pour les chirurgiens pédiatres le concept a été analysé de manière systématique en répondant aux problématiques cliniques des patients dans tous les champs d'application. La somme de ce travail a le tour de force de répondre à toutes les grandes questions qui ont été posées lors des premiers temps de la coelioscopie pédiatrique, mais aussi de répondre, pour les plus récents, à des interrogations concernant les perspectives. Cette Thèse a donc pour objectif de développer l'évolution de la vidéochirurgie chez l'enfant et de mettre en valeur certaines applications que nous avons travaillées dans les différents domaines de la coelioscopie pédiatrique : tout d'abord dans la tolérance et la sécurité de la vidéochirurgie; puis ses applications en Chirurgie Digestive et Thoracique, en Rétropéritonéoscopie, en Oncologie et en Urologie ; mais aussi ses applications dans des techniques avancées de chirurgie néonatale ainsi que l'introduction de techniques encore moins invasives comme la chirurgie assistée par aimant ou des techniques non opératoires utilisées dans le traitement de certaines malformations de la paroi thoracique, en démontrant leurs bénéfices et leur efficacité / In this work, the concept of minimal invasive approach is described in its entirety. For pediatric surgeons, the concept was analyzed systematically meeting the clinical problems of patients in all fields of application. The result of this work is to answer all the big questions that were asked during the early days of the pediatric laparoscopy but also to respond to the latest questions about the perspectives. The goal of this thesis is to describe the evolution of laparoscopy in pediatric, and to report some applications. We have worked in several fields such as: Tolerance and safety of laparoscopy in advanced neonatal surgery, and its applications in Digestive Surgery, Thoracic, Retroperitoneoscopy, Oncology and Urology. This also introduces the use of less invasive techniques, such as magnet-assisted surgery of non-operative techniques in the correction on chest wall deformities, demonstrating their efficacity and efficiency

Dans le cadre général des interventions assistées par ordinateur, nos travaux, abordés essentiellement en terme d'imagerie virtuelle, se sont focalisés sur la phase préopératoire (analyse, modélisation, simulation) dans un objectif de planification réaliste de traitements mini-invasifs de lésions vasculaires (angioplastie transluminale, pose d'endoprothèse aortique, brachythérapie endovasculaire). De nouvelles fonctionnalités d'analyse locale et de description géométrique associées à un capteur virtuel sont proposées. A l'issue de cette exploration virtuelle analytique des données patient (imagerie TDM), la description géométrique de structures complexes ainsi que la détermination de paramètres caractérisant les structures vasculaires sont envisagées au regard du planning interventionnel et évaluées sur modèle animal et sur données patient. Une première approche de simulation spécifique patient d'interactions outils / tissus en angioplastie transluminale est finalement proposée.

Radiofrequency ablation (RFA) is a minimally invasive treatment for either hepatocellular carcinoma or metastasis liver carcinoma. In order to resect large lesions, the surgeon has to perform multiple time-consuming destruction cycles and reposition the RFA needle for each of them. The critical step in handling a successful ablation and preventing local recurrence is the correct positioning of the needle. For small tumors, the surgeon places the middle of the active needle tip in the center of the tumor under intra-operative ultrasound guidance. When one application is not enough to cover the entire tumor, the surgeon needs to repeat the treatment after repositioning of the needle, but US guidance is obstructed by the opacity stemming from the first RFA application. In this case the surgeon can only rely on anatomical knowledge and the repositioning of the RFA needle becomes a subjective task limiting the treatment accuracy. We have developed a computer assisted surgery guidance application for this repositioning procedure. Our software application handles the complete process from preoperative image analysis to tool tracking in the operating room. Our framework is mostly used for this RFA procedure, but is also suitable for any other medical or surgery application. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished