Texte remanié de: Th.--École pratique des Hautes études--Paris, 1990. / Résumé en allemand. Bibliogr. p. 311-333. Index.

Texte remanié de: Th. doct.--Hist.--Paris--EHESS, 1999. / En appendice, choix de documents. Bibliogr. p. 473-492.

Ce travail porte sur la conception d’un véhicule hybride qui puisse rouler ou voler si nécessaire. Une révision des prototypes actuels est faite et ensuite il est proposé un nouveau type de véhicule avec des propriétés améliorées. Ce véhicule se constitue d’un quadrirotor avec deux roues passives sans aucun servomécanisme additionnel. Le modèle de ce véhicule a été développé et quelques algorithmes de régulation automatique ont été développés pour chaque mode d’opération : par terre ou dans l’air. Ces algorithmes ont été validés dans un premier temps via des simulations numériques. La dernière section décrit la salle MOCA et le système utilisé pour obtenir la position et l’orientation du véhicule. En outre, on a fait des expériences pour valider les stratégies de commande développées. D’autres expériences ont été fait pour valider le fait que le véhicule peut suivre des trajectoires terrestres et aériennes. Finalement, un observateur a été utilisé pour identifier le moment où le véhicule fait contact avec le sol. Ce fait nous a permis de changer du mode aérien vers le mode terrestre sans besoin d’utiliser des capteurs additionnels. / This works is focused in the conception of a hybrid vehicle with the ability to fly or roll over the ground when necessary. A revision of the present prototypes is made and then a new prototype is proposed with enhanced characteristics. The prototype consists of a quadrotor with two additional passive wheels without any other additional servomechanism. The modeling of each operation mode is exposed and then a model for the hybrid form is proposed. In the next section, some control algorithms have been developed for each operation mode: on ground or in air. These algorithms are validated via numerical simulation in the first instance. The last section describes the MOCA room and the system used for capturing the position and attitude of the vehicle. Also, experimental tests were made in order to validate the developed control strategies. It was also validated that the vehicle can follows aerial and terrestrial trajectories. Finally, an observer is implemented in order to identify the moment when the vehicle touches the ground. This knowledge is used to switch from air mode to ground mode without the need of additional sensors.

Le cancer de la prostate est devenu depuis deux décennies le cancer le plus fréquent de l’homme dans le monde et représente la troisième cause de décès par cancer chez l’homme en France. La biopsie de prostate est l’examen de confirmation diagnostique standard de ce cancer. Elle permet, par des prélèvements systématisés ou dirigés vers une cible, l’analyse anatomopathologique du tissu prostatique. Guidée par échographie transrectale, l’objectif de la biopsie est de réaliser une cartographie prostatique avec une série de prélèvements multiples bien distribués dans le volume de la prostate. Cependant, la réalisation de biopsies de prostate présente de nombreuses difficultés pour le clinicien car le geste demande une représentation 3D d’un organe très déformable et mobile. Ainsi l’accès à une cartographie précise des biopsies effectuées a un intérêt pour l’amélioration de la qualité des biopsies, la traçabilité des biopsies et l’apprentissage du geste.En partant de ce constat clinique, l’objectif de cette thèse est la conception d’un système de suivi pour la navigation et le guidage de la biopsie de prostate écho-guidée par voie rectale compatible avec une application clinique. Notre approche se base sur une méthode de recalage 2D-3D rigide, qui met en correspondance une image 2D échographique et un volume échographique de référence acquis en début de procédure. Le recalage 2D-3D d’images échographiques est complexe parce que l’information hors-plan n’est pas présente dans l’image 2D et les images échographiques sont très bruitées. Nous avons développé une méthode, dite hybride, qui consiste en la mise en correspondance de caractéristiques de l’image à partir d’une distance basée sur les intensités de pixels/voxels et sur une proximité euclidienne. La précision et robustesse de l’algorithme ont été évaluées sur des données de 20 patients acquises durant des procédures de biopsies de prostate dans deux centres hospitaliers français. Nous avons montré que l’amélioration de la TRE avant et après recalage est statistiquement significative. Près de 75% des TRE obtenues étaient inférieures à 5mm, qui est le seuil clinique de significativité des tumeurs.Par la suite, nous avons mis en application la méthode de recalage dans le cadre du suivi. Une expérimentation sur fantôme prostatique intégrant une sonde équipée d’un capteur de localisation est réalisée pour déterminer la faisabilité et l’apport en termes de précision pour la navigation pour la biopsie de prostate. Les premiers résultats obtenus par notre méthode de suivi montrent une preuve de concept approfondie pour une application clinique. L’information donnée par le capteur inertiel est difficile à exploiter de manière optimale. De nouvelles expérimentations dans des conditions plus favorables devraient être réalisées. Les premiers résultats du suivi sont malgré tout prometteurs dans l’objectif d’une application clinique.La perspective principale pour la méthode de suivi est son intégration dans la plateforme MIRAS, (commercialisée par Koelis) pour continuer l’évaluation. L’ajustement de la méthode et l’amélioration des temps de calcul sont les deux axes majeurs à approfondir pour faire naı̂tre un premier prototype de guidage temps-réel pour la biopsie de prostate. La collaboration de longue date entre les cliniciens et chercheurs de ce projet est un atout essentiel pour la future validation clinique. / Prostate cancer is the most common cancer world-wide for males and the second leading cause of cancer death in France. Prostate biopsy procedures, performed to obtain and analyze tissue samples of the gland, are required for diagnosis. The clinical standard protocol is currently performed under UltraSound (US) control following a systematic protocol. Unfortunately, prostate cancer diagnosis is complicated by the lack of image quality and the low intrinsic contrast between tumor and non-tumor on US images. Conventional biopsies are performed under Transrectal UltraSound (TRUS) guidance. Precisely localizing the biopsy sites is challenging because the gland has a symmetric shape and because the prostate moves and is deformed by the patient motion and the TRUS probe pressure.This work aims at designing a system for navigated prostate biopsies combining a low-cost tracking system and a 2D-3D US registration method. To achieve this objective, our approach is based on hybrid 2D-3D ultrasound (US) rigid registration method for navigated prostate biopsy that enables continuous localization of the biopsy trajectory during the exam.Accuracy and robusteness was evaluated on a significant patient data set recorded in routine uncontrolled conditions from two different hospitals. The results show that 75% of the cases with error less than 5mm, which is clinically acceptable.Thereafter, we developed experiments to evaluate the tracking. The method was tested in a prostate phantom and a probe tracking by a inertial sensor. It was shown that it can do a better localization than and inertial measurement unit. Those first results obtained by our tracking method have established a proof of concept for a future clinical application. We highlighted that the sensor data are complex to exploit in optimal conditions. Additional experiments sould be performed in more realistic conditions.The method adjustment and the computing time-enhancement are the two main approaches to develop to create a first prototype of real-time tracking for navigated prostate biopsy. The long-standing cooperation between clinicians and researchers is an essential asset for a future clinical validation.

Introduction : Rapporter le développement et les expérimentations d'un nouveau système robotisé destiné à la curiethérapie prostatique possédant un système de suivi de la prostate et une possibilité de fusion écho-IRM. Matériel et méthodes : Un robot d'implantation d'aiguilles transpérinéales guidé par échographie transrectale avec suivi peropératoire des mouvements et de la déformation de la prostate a été crée. Les expériences ont été conduites sur 90 cibles réalisées dans 9 fantômes conçus pour être mobiles et déformables. Les expériences ont été ensuite conduites chez 2 cadavres. Le robot a cherché à déposer des billes de verre simulant des grains de curiethérapie aussi près que possible des cibles dans des fantômes évaluables par différentes modalités d'imagerie dont le scanner et dans des prostates de cadavre. Les résultats étaient mesurés en segmentant les cibles et les billes de verre sur des volumes tomodensitométriques des fantômes et des cadavres. Résultats : Le robot était capable d'atteindre les cibles choisies dans les fantômes avec une précision médiane de 2.73 mm, avec un déplacement médian de la prostate de 5.46 mm. La précision était meilleure à la base qu'à l'apex (2.28 mm vs 3.83 mm, p<0.01) et n'était pas significativement différente pour les implantations horizontales et obliques (2.7 vs 2.82 mm, p=0.18). Les tests sur cadavre ont montré la faisabilité et l'ergonomie du robot en salle d'opération mais des expérimentations plus poussées sont nécessaires. Conclusion : Ce robot destiné à la curiethérapie prostatique est le premier système utilisant le suivi de la prostate intra-opératoire pour guider des aiguilles dans la prostate. Les expériences préliminaires montrent sa capacité à atteindre des cibles malgré les mouvements de la prostate. Les applications pourraient être élargies à la thérapie focale et aux biopsies guidées compte-tenu de sa possibilité à fusionner l'imagerie IRM et l'échographie. / Purpose: To report on the development and the initial experience with a new 3D ultrasound robotic system for prostate brachytherapy assistance and focal therapy. MRI-TRUS fusion as well as its ability to track prostate motion intra-operatively allows it to manage motions and guide needles to MRI enhanced tumor foci. Materials and methods: A robotic system for TRUS-guided needle implantation combined with intraoperative prostate tracking was created. Experiments were conducted on 90 targets embedded in 9 mobile and deformable synthetic prostate phantoms. A preliminary feasibility study on 2 cadavers was also carried out. The experiments involved trying to insert glass beads as close as possible to targets in multimodal imaging phantoms and in cadaver prostates. The results were measured by segmenting the inserted beads in CT scan volumes of the phantoms and of the cadaver's radical prostatectomy specimens. Results: The robot was able to reach the chosen targets in phantoms with a median accuracy of 2.73 mm, with a median prostate motion of 5.46 mm. Accuracy was better in apex than in base (2.28 vs 3.83 mm, p<0.001) and was similar for horizontal and angled needle inclinations (2.7 vs 2.82 mm, p=0.18). Cadaver tests showed the feasibility of the robot's ergonomics in the operating room but further in vivo assessments are needed. Conclusion: This robot for prostate focal therapy and brachytherapy is the first system using intraoperative prostate motion tracking to guide needles into the prostate. The preliminary experiments described show its ability to reach targets in spite of the motion of the prostate.

L'arthroplastie totale de hanche est une des interventions le plus pratiquées en chirurgie orthopédique. Malgré un taux de réussite élevé, cette chirurgie présente des limites, liées aux complications possibles, dont la luxation reste la principale cause de reprise chirurgicale. Les causes de l'instabilité prothétique ne sont pas entièrement connus. La relation entre la position de la cupule acétabulaire et l'instabilité n'est pas consensuelle, dans la littérature. Le développement de la navigation chirurgicale a le mérite de mettre en évidence ces limites. L'objectif de cette thèse est de proposer un positionnement optimal de la cupule acétabulaire, pour diminuer le risque de luxation. Deux études différentes ont été réalisé, la première étant une analyse de l'orientation anatomique de 150 sujets sains et la deuxième, une étude comparative cas-temoin analysant le risque de luxation en fonction de l'orientation acétabulaire. La première étude à retrouvé une très grande variabilité d'orientation acétabulaire anatomique. La deuxième étude à permis d'identifier un algorithme de calcul du risque de luxation en fonction du débord prothétique par rapport à l'orientation de l'acetabulum (la difference entre l'orientation de l'acetabulum et celle de la cupule prothétique). Cette recherche montre que le positionnement prothétique acétabulaire le plus proche de l'orientation de l'acetabulum diminue le risque de luxation. Ce résultat original pourra être utilisé par les systèmes de navigation pour améliorer la précision de la chirurgie conventionnelle. / The hip arthroplasty is one of the most successful interventions in orthopedics. Despite its good results, there are still some important issues to clarify. One of the most disturbing complication is dislocation. It represents the number one cause of failure. Its causes are not fully understood, especially the relationship between the orientation of the acetabular cup and dislocation. There is no generally accepted optimal cup orientation, in the literature. Computer navigation technologies contributed to recognize these limitations in the field of hip arthroplasty. The thesis purpose is to identify the optimal position of the ace tabular cup, in relation withe the risk of dislocation. Two studies were conducted in parallel: firstly, the analysis of the normal anatomical acetabular orientation on 150 healthy subjects and secondly, a comparative case control study, analyzing the relationship between the risk of dislocation and the cup orientation. The first study found a very important variability in the anatomical orientation of the acetabulum. The second one allowed to describe and quantify the relationship between the risk of dislocation and the ace tabular cup overhang (the difference between the orientation of the acetabulum and the cup orientation). This research shows that cup positioning closest to the acetabulum orientation, diminishes the dislocation risk. This original data could be used by the navigation systems to increase the cup placement accuracy.

La navigation par satellite pour les applications critiques telles que l'aviation civile nécessite un dispositif de contrôle d'intégrité pour garantir un certain niveau de précision et de fiabilité des informations fournies au pilote. Au delà des informations de position, le système de navigation doit donc fournir des alertes lorsque les exigences opérationnelles ne sont pas respectées. Cette perte de performance peut être due aux dysfonctionnements des satellites. Cette thèse traite donc du contrôle d'intégrité des systèmes de navigation en présence de pannes satellite multiples. Le contexte étudié est celui où les mesures satellitaires sont hybridées avec les données cinématiques provenant d'une centrale inertielle. Les contributions apportées à cette problématique sont diverses. Différents algorithmes sont proposés en tenant compte des contraintes de charge de calcul limitée liées aux applications embarquées. Parmi eux, l'utilisation de la fusion d'informations permet d'améliorer les performances de contrôle d'intégrité. Les imperfections du modèle d'erreur de mesure sont également traitées dans cette thèse. D'une part, nous proposons de détecter et de compenser les potentiels sauts de variance du bruit de mesure. D'autre part, des approches robustes sont utilisés afin d'améliorer le contrôle d'intégrité en présence de bruit de mesure non-gaussien. / Critical applications such as civil aviation require a navigation system including an integrity monitoring function to provide accurate and reliable information. Thus, the navigation system has to raise an alert when the operational requirements are not met. This loss of performance can be due to satellite failures. This thesis deals with integrity monitoring of navigation system assuming multiple satellite failures. Moreover, we consider herein the satellite measurements are hybidized with the kinematic information providing by an inertial navigation system.The contributions to this issue are manifold. Several algorithms are proposed accounting for the limited computing load of the embedded applications. Among them, information fusion allows to improve the integrity monitoring performance. Errors in measurement noise model are also treated in this thesis. On the one hand, we propose to detect and compensate the measurement noise variance jumps. On the other hand, robust approaches are used to improve the integrity monitoring when the measurement noise is not gaussian distributed.

This thesis focuses on the theory and implementation of visual navigation techniques for Autonomous Air Vehicles in outdoor environments. The target of this study is to fuse and cooperatively develop an incremental map for multiple air vehicles under the application of Simultaneous Location and Mapping (SLAM). Without loss of generality, two unmanned air vehicles (UAVs) are investigated for the generation of ground maps from current and a priori data. Each individual UAV is equipped with inertial navigation systems and external sensitive elements which can provide the possible mixture of visible, thermal infrared (IR) image sensors, with a special emphasis on the stereo digital cameras. The corresponding stereopsis is able to provide the crucial three-dimensional (3-D) measurements. Therefore, the visual aerial navigation problems tacked here are interpreted as stereo vision based SLAM (vSLAM) for both single and multiple UAVs applications. To begin with, the investigation is devoted to the methodologies of feature extraction. Potential landmarks are selected from airborne camera images as distinctive points identified in the images are the prerequisite for the rest. Feasible feature extraction algorithms have large influence over feature matching/association in 3-D mapping. To this end, effective variants of scale-invariant feature transform (SIFT) algorithms are employed to conduct comprehensive experiments on feature extraction for both visible and infrared aerial images. As the UAV is quite often in an uncertain location within complex and cluttered environments, dense and blurred images are practically inevitable. Thus, it becomes a challenge to find feature correspondences, which involves feature matching between 1st and 2nd image in the same frame, and data association of mapped landmarks and camera measurements. A number of tests with different techniques are conducted by incorporating the idea of graph theory and graph matching. The novel approaches, which could be tagged as classification and hypergraph transformation (HGTM) based respectively, have been proposed to solve the data association in stereo vision based navigation. These strategies are then utilised and investigated for UAV application within SLAM so as to achieve robust matching/association in highly cluttered environments. The unknown nonlinearities in the system model, including noise would introduce undesirable INS drift and errors. Therefore, appropriate appraisals on the pros and cons of various potential data filtering algorithms to resolve this issue are undertaken in order to meet the specific requirements of the applications. These filters within visual SLAM were put under investigation for data filtering and fusion of both single and cooperative navigation. Hence updated information required for construction and maintenance of a globally consistent map can be provided by using a suitable algorithm with the compromise between computational accuracy and intensity imposed by the increasing map size. The research provides an overview of the feasible filters, such as extended Kalman Filter, extended Information Filter, unscented Kalman Filter and unscented H Infinity Filter. As visual intuition always plays an important role for humans to recognise objects, research on 3-D mapping in textures is conducted in order to fulfil the purpose of both statistical and visual analysis for aerial navigation. Various techniques are proposed to smooth texture and minimise mosaicing errors during the reconstruction of 3-D textured maps with vSLAM for UAVs. Finally, with covariance intersection (CI) techniques adopted on multiple sensors, various cooperative and data fusion strategies are introduced for the distributed and decentralised UAVs for Cooperative vSLAM (C-vSLAM). Together with the complex structure of high nonlinear system models that reside in cooperative platforms, the robustness and accuracy of the estimations in collaborative mapping and location are achieved through HGTM association and communication strategies. Data fusion among UAVs and estimation for visual navigation via SLAM were impressively verified and validated in conditions of both simulation and real data sets. / © Cranfield University, 2013

Cette thèse présente une méthode de navigation par asservissement visuel à l'aide d'une mémoire d'images. Le processus de navigation est issu d'informations d'images 2D sans utiliser aucune connaissance 3D. L'environnement est représenté par un ensemble d'images de référence avec chevauchements, qui sont automatiquement sélectionnés au cours d'une phase d'apprentissage préalable. Ces images de référence définissent le chemin à suivre au cours de la navigation. La commutation des images de référence au cours de la navigation est faite en comparant l'image acquise avec les images de référence à proximité. Basé sur les images actuelles et deux images de référence suivantes, la vitesse de rotation d'un robot mobile est calculée en vertu d'une loi du commandé par asservissement visuel basé image. Tout d'abord, nous avons utilisé l'image entière comme caractéristique, où l'information mutuelle entre les images de référence et la vue actuelle est exploitée. Ensuite, nous avons utilisé des segments de droite pour la navigation en intérieur, où nous avons montré que ces segments sont de meilleurs caractéristiques en environnement intérieur structuré. Enfin, nous avons combiné les segments de droite avec des points pour augmenter l'application de la méthode à une large gamme de scénarios d'intérieur pour des mouvements sans heurt. La navigation en temps réel avec un robot mobile équipé d'une caméra perspective embarquée a été réalisée. Les résultats obtenus confirment la viabilité de notre approche et vérifient qu'une cartographie et une localisation précise ne sont pas nécessaire pour une navigation intérieure utile. / This thesis presents a method for appearance-based navigation from an image memory by Image-Based Visual Servoing (IBVS). The entire navigation process is based on 2D image information without using any 3D information at all. The environment is represented by a set of reference images with overlapping landmarks, which are selected automatically during a prior learning phase. These reference images define the path to follow during the navigation. The switching of reference images during navigation is done by comparing the current acquired image with nearby reference images. Based on the current image and two succeeding key images, the rotational velocity of a mobile robot is computed under IBVS control law. First, we have used the entire image as a fea-ture, where mutual information between reference images and the current view is exploited. Then, we have used line segments for the indoor navigation, where we have shown that line segments are better features for the structured indoor environment. Finally, we combined line segments with point-based features for increasing the application of the method to a wide range of indoor scenarios with smooth motion. Real-time navigation with a Pioneer 3DX equipped with an on-board perspective camera has been performed in indoor environment. The obtained results confirm the viability of our approach and verify that accurate mapping and localization are not mandatory for a useful indoor navigation.

This diploma thesis deals with the GPS navigations and their applications for portable phones and other portable devices. The thesis is divided into the theoretical and the practical part. In the theoretical part, the necessary terminology is defined. Further on, the different types of the GPS navigations are examined along with their applications and their particular advantages and disadvantages. A reader of this thesis will learn about the basic principles of how the GPS navigations work. In the practical part, the research part, the particular GPS devices undergo tests that had been based on particular hypotheses and that had been run according to predetermined conditions. The crucial part of this section is a comparison different types of GPS navigations with the GPS navigation Waze which has introduced an innovative approach to the creation of its content by the users themselves.