Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: Minimally Invasive Surgery (MIS) in human beings is performed by making small incisions in the abdominal region of the patient and inflating the abdominal cavity with CO2. This procedure enables the surgeon to manipulate long rigid surgical instruments inside the patient in order to perform the surgery. Unfortunately the current methods of insertion and assembly of MIS instruments limit the surgeon to only five (of a possible seven) Degrees of Freedom (DOF). Along with this, the surgeon’s movements are mirrored (called the Fulcrum effect) and scaled around the point of incision. Minimally invasive surgical robots attempt to alleviate these drawbacks by eliminating the Fulcrum effect, as well as improving dexterity and accuracy. These robots’ abilities to improve the surgeon’s hand-eye coordination, enables the surgeon to perform surgeries using their natural movements with reduced fatigue. As a result of this, the risk to both patient and surgeon is reduced. Existing MIS robotic systems are extremely expensive and large, and as a result they are not widely used. In this thesis a new, lower cost, seven DOF robotic manipulator is further developed. The thesis focuses on the external three DOF Secondary Slave Manipulator (SSM) and combines it with the Primary Slave Manipulator (PSM) that was developed by a previous Masters student. Tests done on the SSM showed that the manipulator has a minimum resolution of 0.7 ± 0.2 mm (mean ± standard deviation) on the shoulder joint’s yaw rotation and 0.5 ± 0.2 mm in pitch rotation. The linear actuator used for insertion has a minimum resolution of 0.2 ± 0.2 mm. A strength test was also conducted and showed that the manipulator is easily capable of producing a 10 N actuation force as required during Minimally Invasive Robotic Surgery (MIRS) procedures. In conclusion the complete system has potential as a viable alternative to the existing systems due to its accuracy and lower cost. Future work will include the development of a user interface and control system for the complete robot. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Minimaal Indringende Chirurgie (MIC) op mense word uitgevoer deur klein insnydings in die pasiënt se buik te maak en dan die abdominale holte met CO2 te vul. Dit stel die chirurg in staat om lang, onbuigbare instrumente binne die pasiënt te manipuleer om sodoende die operasie uit te voer. Die manier waarop die MIC instrument ontwerp is en die pasiënt binnegaan, laat egter slegs vyf vryheidsgrade toe, terwyl die chirurg self sewe vryheidsgrade in sy handbewegings het. Verder veroorsaak hierdie instrumente ook dat die chirurg se aksies in spieëlbeeld vertolk word (Fulcrum effek) en geskaleer is. Chirurgiese robotika poog om hierdie nadele teen te werk deur die Fulcrum effek te verwyder, en ook om handvaardigheid en akkuraatheid te bevorder. Die robot se potensiaal om die chirurg se hand-oog koӧrdinasie te verbeter, maak dit moontlik vir die chirurg om op ’n meer natuurlike en gemaklike manier te werk te gaan en bring minder vermoeienis mee. Dit verminder die risiko’s vir beide die pasiënt en die chirurg. Bestaande robotiese stelsels is egter baie duur en groot, en word dus nie meer algemeen gebruik nie. In hierdie tesis word ‘n nuwe sewe-vryheidsgraad robotiese manipuleerder ontwikkel. Die tesis fokus op die eksterne drie-vryheidsgraad Sekondêre Slaaf Manipuleerder (SSM) en kombineer dit met die Primêre Slaaf Manipuleerder (PSM) wat deur ʼn vorige Meestersstudent ontwikkel is. Toetse wat uitgevoer is op die SSM het getoon dat dit ’n minimum resolusie van 0.7 ± 0.2 mm (gemiddeld ± standaard afwyking) op die skouer se afwyking en 0.5 ± 0.2 mm om die onderskeie skouer aslyne toon. Die linieêre aktueerder wat vir inlassing gebruik word het ’n minimum resolusie van 0.2 ± 0.2 mm. ’n Sterktetoets is uitgevoer en het getoon dat die manipuleerder maklik die nodige 10 N krag soos benodig in Minimaal Indringende Robotiese Chirurgie (MIRC) prosedures kan lewer. Ter afsluiting, die volledige stelsel het die potensiaal as lewensvatbare alternatief tot die bestaande stelsels vanweë die akkuraatheid en laer koste verbonde. Toekomstige navorsing kan moontlik die ontwikkeling van ʼn gebruikerkoppelvlak en beheerstelsel vir die volledige robot insluit.

Contrairement aux robots conventionnels, les robots continuums ne possèdent ni de liaisons discrètes, ni de corps rigides. Leur courbure est continue, similaire à celle des trompes ou des tentacules animales. Le développement de ce type de robots pour les applications médicales soulève plusieurs problèmes : optimisation de la conception, modélisation cinématique, choix des capteurs et commande en temps réel. Les techniques actuelles pour la modélisation des robots continuums ne tiennent pas compte les incertitudes inhérentes au système. La prise en compte de ces incertitudes est d'une importance cruciale pour la certification de tels robots utilisés pour les gestes chirurgicaux. Dans cette thèse, nous considérons un micro robot continuum à 3 actionneurs. Ce robot a été développé au laboratoire LISSI pour le traitement des anévrismes de l'aorte abdominale par chirurgie mini-invasive. Dans ce type de chirurgie, il est important de disposer d'un modèle cinématique garanti du robot continuum prenant en compte différents types d'incertitudes. Pour traiter ce problème, nous utilisons les techniques d'analyse par intervalles. Ces techniques permettent de résoudre des problèmes d'optimisation globale sous contraintes tout en prenant en compte des incertitudes aussi bien aléatoires que systématiques. La contribution de cette thèse porte sur la proposition d'un modèle cinématique d'un robot continuum prenant en compte des incertitudes liées à différents facteurs comme les erreurs d'arrondis, les erreurs paramétriques et les erreurs dues aux hypothèses de modélisation. Tout d'abord, nous développons les modèles géométriques direct et inverse du robot continuum sous forme de solutions de formes fermées. Ces solutions sont utilisées pour caractériser les différentes propriétés du robot comme la manipulabilité. Pour calculer la cinématique inverse garantie et optimale, nous appliquons une version améliorée de l'algorithme par séparation et évaluation (Branch and Bound). En considérant l'orientation du robot, la cinématique inverse est ramenée à la formulation et à la résolution par intervalles d'un problème d'optimisation sous contraintes. Les approches proposées sont validées par des simulations. Les résultats de cette thèse constituent un cadre général pour la modélisation garantie de la classe des robots continuums dont la forme est décrite par des actionneurs en flexion continue / Unlike conventional robots, continuum robots do not contain any rigid link or any rotational joint but present a continuous bending in the structure through smooth motion. Development of this class of robot for their medical application presents a common set of problems : optimization of design, kinematic modeling, sensing choice, and their control in real time. Existing techniques for the modeling of continuum robots do not take system uncertainties into account. A proper handling of these uncertainties becomes of crucial importance for the certification of such robots used as medical devices. For our research, we consider a continuum robot that has been developed for the treatment of aortic aneurysm by Minimal Invasive Surgery (MIS), in LISSI Lab. In the context of MIS, it is very important to develop a guaranteed kinematic model of robot taking into account the different types of un-certainties. To handle this problem, we use the techniques of interval analysis. These techniques are capable of performing the global optimization and solving CSPs while taking into account the different uncertainties ; no matter, whether these uncertainties are random or systematic. Contribution of this thesis is proposal of a continuum robot's kinematic model that can take system uncertainties due to different factors such as rounding errors, parametric errors, and errors due to modeling assumptions. Initially, we develop the forward and inverse kinematics of the continuum robot in closed-form formulas. These derived formulas are used for the characterization of different properties of the robot such as manipulability. To find optimized guaranteed kinematics, we retained and applied an enhanced version of branch and bound algorithm. The inverse kinematics was formulated and resolved as a constrained optimization problem for robot's orientation. The proposed approaches are validated through simulations. The results of this thesis give rise to a general framework that is valid to handle the system uncertainties for the entire class of continuum robot that are shaped by continuously bending actuators

<p>Robotic-assisted surgery (RAS) is one of the most significant advancements in surgical techniques in the past three decades. It provides benefits of reduced infection risks and shortened recovery time over open surgery as well as improved dexterity, stereoscopic vision, and ergonomic console over laparoscopic surgery. The prevalence of RAS systems has increased over years and is expected to grow even larger. However, the major concerns of RAS are the technical difficulty and the system complexity, which can result in long learning time and impose extra cognitive workload and stress on the operating room. Human Factor and Ergonomics (HFE) perspective is critical to patient safety and relevant researches have long provided methods to improve surgical outcomes. Yet, limited studies especially using objective measurements, have been done in the RAS environment. </p> <p> </p> <p>With advances in wearable sensing technology and data analytics, the applications of physiological measures in HFE have been ever increasing. Physiological measures are objective and real-time, free of some main limitations in subjective measures. Eye tracker as a minimally-intrusive and continuous measuring device can provide both physiological and behavioral metrics. These metrics have been found sensitive to changes in workload in various domains. Meanwhile, electroencephalography (EEG) signals capture electrical activity in the cerebral cortex and can reflect cognitive processes that are difficult to assess with other objective measures. Both techniques have the potential to help address some of the challenges in RAS.</p> <p> </p> <p>In this study, eight RAS trainees participated in a 3-month long experiment. In total, they completed 26 robotic skills simulation sessions. In each session, participants performed up to 12 simulated RAS exercises with varying levels of difficulty. For Research Question I, correlation and mixed effect analyses were conducted to explore the relationships between eye tracking metrics and workload. Machine learning classifiers were used to determine the sensitivity of differentiating low and high workload with eye tracking metrics. For Research Question II, two eye tracking metrics and one EEG metric were used to explain participants’ performance changes between consecutive sessions. Correlation and ANOVA analyses were conducted to examine whether variations in performance had significant relationships with variations in objective metrics. Classification models were built to examine the capability of objective metrics in predicting improvement during RAS training. </p> <p> </p> <p>In Research Question I, pupil diameter and gaze entropy distinguished between different task difficulty levels, and both metrics increased as the level of difficulty increased. Yet only gaze entropy was correlated with subjective workload measurement. The classification model achieved an average accuracy of 89.3% in predicting workload levels. In Research Question II, variations in gaze entropy and engagement index were negatively correlated with variations in task performance. Both metrics tended to decrease when performance increased. The classification model achieved an average accuracy of 68.5% in predicting improvements.</p> <p> </p> <p>Eye tracking metrics can measure both task workload and perceived workload during simulated RAS training. It can potentially be used for real-time monitoring of workload in RAS procedure to identify task contributors to high workload and provide insights for training. When combined with EEG, the objective metrics can explain the performance changes during RAS training, and help estimate room for improvements.</p>

Το θέμα αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός, η παραγωγή, η κατασκευή και ο έλεγχος ενός χειρουργικού ρομποτικού εργαλείου με βελτιωμένα χαρακτηριστικά από το προηγούμενο πρωτότυπο. Το λαπαροσκοπικό εργαλείο αποτελείται από συνδέσμους σε σειρά οι οποίοι ενεργοποιούνται με μορφομνήμονα καλώδια, οι οποίοι λειτουργούν σαν δυαδικοί ενεργοποιητές με δύο πιθανές καταστάσεις. Κάθε σύνδεσμος αποτελείται από τρεις πρισματικούς ενεργοποιητές, οι οποίοι δημιουργούν μια πλατφόρμα Stewart και παρέχουν μια 3 βαθμών ελευθερίας κινητικότητα σε κάθε σύνδεσμο. Τα ηλεκτρονικά είναι ενσωματωμένα στο εσωτερικό των συνδέσμων, σε αρχιτεκτονική Master-Slave. Η επικοινωνία μεταξύ του χειρούργου και του εργαλείου επιτυγχάνεται με I2C δικτυωμένους μικρο-ελεγχτές, Στον τελευταίο σύνδεσμο του εργαλείου, υπάρχει μια στερεοσκοπική κάμερα και μια πλακέτα IMU η οποία προσφέρει πληροφορίες προσανατολισμού. Επιπρόσθετα, ένα σύστημα αντίληψης δύναμης το οποίο είναι ικανό να επικολληθεί στην επόμενη έκδοση του εργαλείου. Εν κατακλείδι, σχεδιαστικές παράμετροι καθώς και η κινηματική του δυαδικού βραχίονα παρουσιάζεται σε προσομοίωση και πειραματικές μελέτες του λαπαροσκοπικού πρωτότυπου εργαλείου. / The subject of this master thesis is the design, the fabrication, the construction and the control of a surgical robotic tool with improved characteristics than previous version. The laparoscopic tool consists of cascaded links which are powered by Shape Memory Alloys wires, acting as binary actuators with two stable states. Each link is composed of three prismatic actuators, creating a Stewart platform and providing a 3-DOF maneuverability for each joint. The electronics are embedded in the inner cavity of the links in, Master-Slave architecture. The communication between the surgeon and the tool is achieved with I2C-networked microcontrollers. In the distal link of the tool, there is a stereoscopic camera and an IMU board that offers orientation information. Moreover, a Force Sensing System, that is able to be attached to the next version of the current tool. Finally, certain design aspects as well as the kinematics of the binary manipulator are presented simulation and experimental studies on the laparoscopic tool prototype.

The current issue of Visceral Medicine focuses on colorectal cancer. Despite intense screening efforts, colorectal cancer still belongs to the most frequent cancers in both males and females in the EU. Particularly in rectal cancer there have been major developments in the surgical techniques over the last years that have led to a substantial reduction in local disease recurrence.

Introduction: As the number of minimally invasive technologies increases in the field of thoracic surgery, so have the number of learning curve analyses performed for these innovations. Variation in learning curve methodology makes between-study comparisons and evidence syntheses difficult. Furthermore, poorly described and reported learning curve analyses make the results difficult to apply to different clinical settings. The objective of this systematic review is to characterize the variability in the methods used to construct and describe learning curves, with the goal of identifying shortcomings and potential areas for improvement in this line of research. Methods: A search of Ovid Medline, Ovid Embase, EBSCO CINAHL, and Web of Science was performed. Studies of learning curves of anatomical lung resection operations in adult patients published in the English language were eligible for inclusion. Two reviewers independently assessed studies for eligibility, and extracted relevant data. Results: The search yielded 56 articles eligible for inclusion in the present review. A variety of methods were used to construct the learning curve, with chronological grouping of cases being the most commonly used technique in 22 (39.29%) studies, followed by the cumulative sum method, employed in 21 (37.50%) studies. A total of 15 unique metrics were used for learning curve analyses; operative time was the most common metric, used in 39 (69.64%) studies. A large proportion of studies failed to provide details on learning curve parameters such as competency thresholds, surgeon’s prior experience, case complexity, and learning curve definition. Considerable heterogeneity was found in the methods and reporting standards of learning curve evaluations in minimally invasive thoracic surgery. Conflicts of Interest: None. Funding Source: Boris Family Centre for Robotic Surgery. / Thesis / Master of Science (MSc)

Les procédures chirurgicales intraoculaires sont des procédures difficiles par la précision qu’elles demandent, on parle de microchirurgie, mais aussi par la difficulté et la faible qualité de visualisation des tissus à traiter. En effet, dans la plupart des procédures intraoculaires le chirurgien utilise uniquement un microscope ophtalmologique qui ne permet la visualisation des tissus que par la pupille du patient et offre une perception limitée de la profondeur. La Tomographie en Cohérence Optique (OCT) fournit des images en profondeur des tissus sains de manière non invasive, elle est utilisée couramment en diagnostic ophtalmologique et est de plus en plus utilisée intra-opérativement. Dans cette thèse nous allons présenter deux systèmes OCT intra-opératifs qui visent à assister les chirurgiens sur deux procédures intraoculaires, la vitrectomie et l’injection sous-rétinienne. Pour ces deux projets nous avons utilisé le matériel chirurgical utilisé cliniquement pour plusieurs raisons : s’assurer d’utiliser des outils adéquats (dimensions, efficacité, sécurité) pour la procédure, garder des outils que les chirurgiens utilisent régulièrement et avec lesquels ils sont familiers et limiter les coûts de développement. Pour le système OCT nous avons utilisé des sondes OCT en fibre optique car elles sont flexibles, bon marché et de petit diamètre. Leur focalisation peut également être modifiée dépendamment de l’application avec une fibre optique GRIN à leur extrémité pour augmenter le signal OCT. Nous avons ainsi attaché à ces outils chirurgicaux des sondes OCT en fibre optique. Pour le projet portant sur les injections sous-rétiniennes il a fallu dans un premier temps développer des sondes OCT avec des diamètres plus petits que ceux existant. Pour ce faire nous avons développé une méthode permettant de réduire le diamètre des sondes avec de l’acide fluorhydrique et grâce à un design permettant de conserver les propriétés optiques des sondes. Ce travail est présenté dans le premier article. Le second article présente un système permettant de guider les injections sous-rétiniennes. L’injection sous-rétinienne est une intervention chirurgicale de haute précision visant à restaurer et/ou préserver la vision des patients souffrant de maladies rétiniennes. Néanmoins, l’injection sous-rétinienne reste à la limite des capacités physiologiques humaines en raison des tremblements de la main et peut être compromise par le reflux du médicament si l’injection n’est pas assez profonde dans la rétine. Nous avons développé un système pour guider l’injection avec un micromanipulateur et donner des informations précises sur la profondeur au chirurgien avec l’OCT intra-opératif. Après avoir miniaturisé une sonde OCT en fibre optique avec la méthode présentée dans l’article 1 nous avons pu l’insérer dans une canule utilisée cliniquement. La sonde couplée à un système OCT que nous avons développé acquiert un signal A-scan qui va permettre de connaitre la distance entre la canule et la rétine mais aussi de sélectionner la profondeur de l’injection dans les couches rétiniennes. La canule est attachée à un micromanipulateur qui assure son déplacement dans l’œil. Une image M-scan est construite avec le signal OCT et le chirurgien peut directement sélectionner sur l’image la profondeur de l’injection. Nous avons développé l’interface sur Labview. Après avoir sélectionné la cible de l’injection le programme de guidage va déplacer la canule et injecter le volume adéquat grâce à une pompe contrôlable. Nous avons validé notre système de guidage sur des yeux de porcs ex-vivo. Sur 40 injections 38 présentaient un décollement rétinien ciblé et localisé, preuve de la réussie de l’injection rétinienne ce qui représente un taux de succès de 95% (CI : 83.1 – 99.4). Nous avons aussi grâce à un algorithme de traitement de l’image calculé le volume présent sous la rétine après l’injection que nous avons comparé au volume injecté. Nous avons ainsi trouvé que 75% du volume initialement injecté se retrouve bien sous la rétine. Le troisième article présente un système permettant d’arrêter automatiquement le vitrecteur lors d’une vitrectomie pour réduire les dommages accidentels sur la rétine. La survenue de déchirures rétiniennes iatrogèniques dans la vitrectomie par la pars plane est une complication qui compromet l’efficacité globale de la chirurgie. Un certain nombre de déchirures rétiniennes iatrogènes se produisent lorsque la rétine est coupée accidentellement par le vitrecteur. Nous avons développé un vitrecteur intelligent capable de détecter en temps réel une coupure rétinienne accidentelle et de désactiver rapidement la machine de vitrectomie pour les prévenir. Ce vitrecteur intelligent est composé d’une sonde OCT attachée au vitrecteur et va avoir comme rôle de détecter si le vitrecteur aspire la rétine et va endommager ces tissus sains. La sonde OCT agit comme un détecteur de présence devant l’ouverture du vitrecteur, ceci en comparant un signal de référence avec le signal en direct. Cette comparaison de signal OCT va commander un bras robotique pour actionner la pédale d’arrêt du vitrecteur. Ainsi le chirurgien n’a pas besoin d’interpréter un signal, la décision d’arrêt du vitrecteur dû à la présence de la rétine est prise automatiquement. Ceci va permettre de réduire grandement, de 300 ms à 29 ms, le délai de la prise de décision d’arrêt du vitrecteur précédemment limité par le temps de réaction du chirurgien. Nous avons développé les sondes OCT, le système OCT ainsi que l’algorithme d’arrêt automatique de ce système. Nous avons validé sur des yeux porcins in-vivo, deux chirurgiens ont utilisé notre système en essayant d’endommager les tissus rétiniens. 70% (CI : 56.39 – 82.02) des tentatives de dommages rétiniens des chirurgiens furent atténuées ou empêchées par notre système. Ce projet a abouti au dépôt d’un brevet ("Smart Vitrector", Provisional patent application, US 63109040). / Intraocular surgical procedures are difficult procedures because of the precision they require, they are often referred as microsurgery, but also by the little information available to the surgeon. In most intraocular procedures the surgeon only uses an ophthalmic microscope which allows visualization of tissue just through the patient’s pupil and offers limited depth perception. Optical Coherence Tomography (OCT) provides in-depth images of healthy tissue in a non-invasive manner, is commonly used in ophthalmologic diagnostics, and is increasingly used intraoperatively. In this thesis we will present two intraoperative OCT systems that aim to assist surgeons with two intraocular procedures, vitrectomy and subretinal injection. For these two projects we used the surgical equipment used clinically for several reasons : to make sure to use adequate tools (dimensions, efficiency, safety) for the procedure, to keep tools that surgeons use regularly and with which they are familiar and limit development costs. For the OCT system we used fiber optic OCT probes as they are flexible, cheap and small in diameter. Their focus can also be modified, depending the application, with a GRIN fiber at their tip to increase the OCT signal. We have attached optical fiber OCT probes to these surgical tools. For the subretinal injections project it was first necessary to develop OCT probes with smaller diameters than existing ones. To do this, we have developed a method to reduce the diameter of the probes with hydrofluoric acid and a design to maintain the optical properties of the probes. This work is presented in the first article. The second article presents a system for guiding subretinal injections. Subretinal injection of drugs is a challenging surgical intervention aiming to restore and/or preserve the vision of patients suffering from retinal diseases. Nevertheless, the subretinal injection remains at the edge of human physiological capacity because of hand tremor and can be mitigated by drug reflux if the injection is not deep enough in the retina. We developed a system to guide the injection with a micromanipulator and give precise depth information to the surgeon with intraoperative OCT. To do so we first miniaturized an optical fiber OCT probe with the method presented in article 1, we were able to insert it into a cannula used clinically. The probe coupled to an OCT system that we have developed acquires an A-scan signal which enables to know the distance between the cannula and the retina but also to select the depth of the injection into the retinal layers. The cannula is attached to a micromanipulator that moves it inside the eye. An M-scan image is built with the OCT signal and the surgeon can directly select on the image the depth of the injection. We developed the interface on Labview. After selecting the injection target, the guidance program will move the cannula and inject the appropriate volume using a controllable pump.We have validated our guidance system on pig eyes ex-vivo. Out of 40 injections, 38 presented a retinal detachment, proof of a successful retinal injection, which represents a success rate of 95% (CI : 83.1 – 99.4). Thanks to an image processing algorithm, we also calculated the bleb volume under the retina after the injection, which we compared to the initial injected volume. We have found that 75% of the injected volume ends in the subretinal space. The third article presents for automatically stopping the vitrector during a vitrectomy. The occurrence of iatrogenic retinal breaks in pars plana vitrectomy is a complication that compromises the overall efficacy of the surgery. A subset of iatrogenic retinal break occurs when the retina is cut accidentally by the vitrector. We developed a smart vitrector that can detect in real-time potential accidental retinal cut and activate promptly a vitrectomy machine to prevent them. To do so an OCT probe is attached to the vitrector and will have the role of detecting if the vitrector sucks the retina and will damage these healthy tissues. The OCT probe acts as a presence detector in front of the vitrector opening, by comparing a reference signal with the live signal. This OCT signal comparison will control a robotic arm to operate the vitrector stop pedal. Thus, the surgeon does not need to interpret a signal, the decision to stop the vitrector due to the presence of the retina is taken automatically. This will greatly reduce, from 300 ms to 29 ms, the delay to stop the vitrector previously limited by the reaction time of the surgeon. We have developed the OCT probes, the OCT system, and the automatic shutdown algorithm for this system. We validated our system on in-vivo porcine eyes, two surgeons used the modified vitrector trying to damage retinal tissue. 70% (CI : 56.39 – 82.02) of surgeons’ retinal damage attempts were mitigated or prevented by our system. This project resulted in a patent ("Smart Vitrector", Provisional patent application, US 63109040).

<p dir="ltr">Robotic surgery has transformed the landscape of minimally invasive procedures, offering unmatched precision and quicker patient recovery times. Despite all these advancements, training surgeons to use these sophisticated surgical systems effectively remains a daunting challenge, primarily due to high costs, limited accessibility, increased learning curve, and inconsistent training quality. Existing training modalities are limited by the high costs of original training robots, logistical challenges, lack of emphasis on hand movements, the necessity of expert presence, and limited scalability and effectiveness. This thesis introduces TrainVR, a low-cost based training system designed to overcome these hurdles and enhance the skillset of surgical trainees. TrainVR integrates affordable Virtual Reality (VR) technology with enhanced fidelity, creating an engaging and realistic training environment. TrainVR is designed to simulate realistic surgical environments and procedures, focusing on the development of motor, cognitive, and spatial skills for tasks required for robotic surgery through computer vision algorithms, gamified environments, performance analytics, and supporting both asynchronous and remote expert-led training scenarios. This system features customizable training modules, enabling trainees to practice a wide array of surgical procedures in a safe, virtual setting. The device also focuses on the importance of user’s hand, clutch, and ergonomics during surgical training which is crucial based on feedback from surgeons. The development of TrainVR involved crafting detailed 3D models of surgical instruments and anatomical structures, by integrating hardware, software and designing a user-friendly interface. We conducted testing with different game environments which compare the performance of the users and provide insights to improve the learning. The thesis concludes by experimenting and proposing new configurations to improve the fidelity and hand tracking which should closely match with the experience provided by the present training simulators at a substantially lower cost. TrainVR’s scalable design and compatibility with standard VR hardware make it accessible to a wide range of institutions, including those with limited resources. By offering a cost-effective, immersive, and adaptive training solution, TrainVR aims to enhance surgical education and ultimately improve patient care outcomes.</p>

Le développement croissant de la chirurgie robotique pose le problème de la formation. Cette nouvelle technologie tend à suppléer dans les procédures complexes la coelioscopie. Elle nécessite une adaptation du chirurgien. Il est, en effet, nécessaire de maîtriser à la fois le télémanipulateur et les procédures chirurgicales, qui ne sont pas de simples transpositions des gestes coelioscopiques. Initialement, nous avons réalisé un historique du développement de la chirurgie mini-invasive coelioscopique et robotique, ainsi qu'un historique de l'apprentissage de la chirurgie. Puis, nous nous sommes intéressés à l'apprentissage de la robotique. Les simulateurs de chirurgie coelioscopique sont très couramment employés dans l'apprentissage. En robotiques, ils ont fait récemment leur apparition sur le marché. Nous avons étudié la validité du simulateur dV-Trainer dans l'apprentissage de la chirurgie robotique. Nous avons démontré l'intérêt de cet outil dans l'acquisition de la gestuelle et des automatismes propres au robot. Nous avons par ailleurs étudié l'impact d'une formation en micro-chirurgie sur les performances développées en chirurgie robotique car, au cours d'une étude préliminaire nous avions constaté que les micro-chirurgiens présentaient de meilleures aptitudes sur le simulateur de chirurgie robotique que ceux sans expérience en micro-chirurgie. Dans un troisième temps, nous nous sommes intéressés à la téléchirurgie à longue distance qui est impactée par deux contraintes que sont la latence de transmission et le volume des informations à transmettre. Une première étude a étudié l'impact du délai de transmission sur les performances des chirurgiens. Une deuxième étude a consisté à réaliser une évaluation subjective par des chirurgiens de la qualité de vidéos de chirurgie robotique compressées afin de déterminer un seuil de compression maximal acceptable / The huge expansion of minimally invasive robotic devices for surgery ask the question of the training of this new technology. Progress of robotic-assisted surgical techniques allows today mini- invasive surgery to be more accurate, providing benefits to surgeons and patients for complex surgical procedures. But, it resulted from an increasing need for training and development of new pedagogical strategies. Indeed, the surgeon has to master the telemanipulator and the procedure, which is different from a simple transposition of a laparoscopic skill. The first part of this work treats about historical development of minimal invasive surgery from laparoscopy to robotic surgery. We also develop the evolution of training program in surgery. Virtual simulators provide efficient tools for laparoscopy training. The second part of this work, study some possible solutions for robotic training. We assess the validity of a new robotic virtual simulator (dV-Trainer). We demonstrate the usefulness of this tool for the acquisition of the basic gesture for robotic surgery. Then, we evaluate the impact of a previous experience in micro-surgery on robotic training. We propose a prospective study comparing the surgical performance of micro-surgeons to that of general surgeons on a robotic simulator. We want to determine if this experience in micro-surgery could significantly improve the abilities and surgeons performance in the field of basic gesture in robotic surgery. The last part of the study also looks to the future. Currently, telesurgery need sophisticated dedicated technical resources. We want to develop procedures for clinical routine used. Therefore, we evaluate the impact of the delay on the surgical procedure. Also, reducing data volume allow decreasing latency. An appropriate solution to reduce the amount of data could be found by introducing lossy compression for the transmission using the well-known MPEG-2 and H-264 standards

La chirurgie robotisée a été développée pour pallier les difficultés de la chirurgie laparoscopique. Le robot da Vinci (Intuitive Surgical) est largement répandu dans les hôpitaux nord-américains et européens pour la chirurgie abdominale. Basé sur de la téléopération, il améliore la dextérité et la précision des opérations en chirurgie mini-invasive. Cependant, des recommandations incomplètes et des défauts ergonomiques du système, pour positionner les bras du robot à la surface l’abdomen du patient avant l’opération, créent un des principaux problèmes de la chirurgie robotisée : des organes inatteignables ou des collisions entre les instruments pendant l’opération. L’objectif de ces travaux de recherche est de proposer une nouvelle méthode de placement des bras du robot basée sur une assistance opératoire numérique utilisant l’analyse d’images médicales du patient et la modélisation 3D de la surface de son abdomen afin de calculer des positions des bras optimales en fonction des caractéristiques du robot, de la position des organes et du type de chirurgie. / Robot-assisted surgery, or “robotic”surgery, has been developed to address thedifficulties with the traditional laparoscopicsurgery. The da Vinci (Intuitive Surgical, CA andUSA) is one of the FDA-approved surgical robotic system which is widely used in the case of abdominal surgeries like hysterectomy and cholecystectomy. The technology includes a system of master and slave tele-manipulators that enhances manipulation precision. However, inadequate guidelines and lack of a human machine interface system for planning the ports on the abdomen surface are some of the main issues with robotic surgery. Unreachable target and mid-surgery collisions between robotic arms are the major problems that surgeons complain about in robotic surgery. The objective of this research is to design a new decision-support tool for planning port placement in robotic surgery. The decision support system will be able to determine the optimal location of the entrance ports on the abdomen surface that is specific to the patient.