Les forces et faiblesses des robots différant grandement de celles des humains, les robots chirurgicaux ont plusieurs avantages qui expliquent leur utilisation croissante en salle d'opération. Cependant, la robotique chirurgicale demeure un domaine qui comporte de nombreux défis. Plutôt que de travailler directement au niveau de l'application sur un robot spécifique, il a été décidé de concentrer les efforts sur une des composantes mécaniques qui impose des limitations aux interactions humain-robot : l'actionneur. Dans cette optique, un prototype de bras interactif a été réalisé en utilisant la technologie de l'Actionneur Différentiel Élastique (ADE), un actionneur élastique haute-performance de faible impédance mécanique intrinsèque. Le bras à trois degrés de liberté, dont les actionneurs sont contrôlés en impédance, pourra servir à étudier la façon dont les interactions humain/robot permettent d'augmenter les capacités humaines de manipulation. Le contrôle d'impédance de l'ADE a été utilisé en tant que noyau central lors du développement du contrôle du bras interactif. L'analyse des performances dans la plage de fréquence d'intérêt suggère un bon comportement de l'actionneur lorsque l'impédance mécanique demandée est faible.Les premiers essais d'interaction humain-robot avec le bras interactif suggèrent que l'ADE est tout indiqué pour une telle application. Le contrôle d'impédance développé a pu être utilisé dans le cadre d'une autre application robotique : le contrôle des axes de direction du robot mobile omnidirectionnel AZIMUT[indice inférieur 3].

Les travaux de cette thèse proposent une nouvelle approche pour le guidage assisté par robots d'aiguilles flexibles pour des procédures percutanées. La méthode est basée sur l'utilisation d'une rotation de l'aiguille avec un rapport cyclique variable pour réaliser une insertion avec des arcs de rayons de courbure différents. Elle combine un retour visuel avec une stratégie de planification adaptative pour compenser les incertitudes du système et les perturbations. Par rapport aux approches présentées précédemment dans la littérature, la stratégie de planification en boucle fermée est adaptée à des scènes dynamiques qui présentent des changements de position des obstacles et de la cible. Cette approche a été implémentée sur un système robotique et les résultats obtenus in vitro confirment tout l'intérêt de cette technique. / This thesis proposes a robot-assisted approach for automatic steering of flexible beveled needles in percutaneous procedures. The method uses duty-cycled rotation of the needle to perform insertion with arcs of adjustable curvature, and combines closed-loop imaging feedback with an intraoperative motion replanning strategy to compensate for system uncertainties and disturbances. Differently from previous approaches, the closed-loop replanning strategy is suitable for dynamic scenes that present changes of obstacles and target positions. Indeed, we implemented the proposed system using a robotic manipulator, and the results obtained from in vitro tests confirmed the viability of our method.

Une chirurgie minimalement invasive (CMI), qui implique généralement une caméra endoscopique et des instruments de laparoscopie, peut sembler être la procédure chirurgicale idéale pour ses avantages apparents. Toutefois, en comparaison à la chirurgie ouverte, les limites spatiales et outils mécaniques posés sur les chirurgiens sont si élevés que, souvent, la CMI est abandonné pour des cas complexes et même quand elle est possible, la procédure nécessite une grande dextérité, calibre et expérience du chirurgien. Cette recherche a été motivée par la nécessité d'habiles instruments chirurgicaux qui offrent un contrôle intuitif et une interface ergonomique, avec l'objectif final de développer un instrument robotisé adapté aux interventions par laparoscopie. La recherche a été basée sur l'évaluation comparative des différentes interfaces, modes de contrôle et cinématiques, en utilisant un simulateur de réalité virtuelle, développée spécialement à cet effet. Les résultats montrent que: 1. l'interface optimale a un mode de contrôle WYSIWYD (ce que vous voyez est ce que vous faites) et est exploité par les doigt. 2. les mobilités distales motorisées de l'effecteur doivent produire deux degrés de liberté (DDL) indépendants pour la flexion et la rotation de l'effecteur. Ce qui est suffisant pour des gestes SIG complexes. 3. ajouter une libre articulation à la poignée de l'instrument permet au chirurgien d'avoir une posture ergonomique. 4. un trocart actif permettrait la rotation de l'arbre de l'instrument avec un joint libre. Cette recherche a également permis le développement d'un prototype de validation de concept. Le prototype a été testé avec succès, in vitro et in vivo sur un modèle porcin.

La chirurgie sans cicatrices, visant à réaliser des opérations chirurgicales sans cicatrices visibles, est l'avant-garde dans le domaine de la chirurgie mini-invasive. L'absence d'instruments adéquats est l'un des freins à son utilisation en routine clinique. Dans ce contexte, nous introduisons un nouveau robot chirurgical téléopéré, composé d'un endoscope et de deux instruments flexibles, avec 10 DDL motorisés. Cette thèse explore les différentes façons de contrôler le système. La cinématique du robot est analysée et différentes stratégies de contrôle maître/esclave, allant du contrôle articulaire au Cartésien, sont proposées. Ces stratégies ont été testés sur un simulateur virtuel ainsi que sur le système réel en laboratoire et en ex-vivo. Les résultats montrent qu’un seul utilisateur est capable de contrôler le robot et d’effectuer des tâches complexes en utilisant deux interfaces haptiques. / No-scar surgery, which aims at performing surgical operations without visible scars, is the vanguard in the field of Minimally Invasive Surgery (MIS). The lack of adequate instrumentation is one of the issues to its clinical routine use. In this context, we introduce a novel teleoperated surgical robot, consisting of an endoscope and two flexible instruments, with 10 motorized DOFs. This thesis investigates the possibilities to control the system. The robot kinematics is analyzed, and differentmaster/slave control strategies, ranging from joint to Cartesian control, are proposed. These strategies have been tested on a specifically developed virtual simulator and on the real system in laboratory and ex-vivo experiments. The results show that a single user is capable to control the robotic system and to perform complex tasks by means of two haptic interfaces.

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

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.

Ce travail reprend les études d’évaluation d’une plateforme instrumentale dédiée à la chirurgie mitrale mini-invasive vidéo-assistée, et du télémanipulateur Da Vinci pour la réalisation d’anastomose mammaire interne / IVA à thorax fermé.) Evaluation du Portaclamp. Cette étude clinique a porté sur 20 patients opérés de chirurgie cardiaque sous CEC et a confirmé la simplicité d’utilisation du système, son efficacité et l’absence de morbidité ou complication induite. L’étude chez le porc des effets histologiques sur la paroi de l’aorte des trois clamps (l’endo-clamp, le clamp Chitwood et le Portaclamp) a révélé une atteinte majeure de l’endothélium aortique induite par l’endo-clamp . 2) Evaluation du Portapleg. Le Portapleg est un dispositif auto-suturant de cardioplégie antérograde constitué d’un clip en Nitinol restant implanté sur l’aorte. Une étude sur 20 patients a été rapportée avec comme critère principal le temps de saignement du site de ponction après injection de protamine. Le système a montré son efficacité hémostatique dans tous les cas sans événement secondaire. 3) Evaluation du Mitrax’s. C’est un cône en plastique polymère auto ajustable et auto expansible, qui repousse de façon symétrique et concentrique les parois de l’oreillette. Une étude prospective de son efficacité a été réalisée chez 62 patients opérés de chirurgie mitrale vidéo-assistée de façon consécutive. L’indice de satisfaction a été en moyenne 4.6, témoin d’une exposition optimale de la valve mitrale avec une vision endoscopique ou directe de la valve mitrale jugée excellente. 4) Analyse comparative des techniques mini-invasives de revascularisation de l’IVA par pontage mammaire (Port Access, MIDCAB, TECAB). Cette étude prospective a porté sur 160 patients ; à trois mois, le taux de réintervention sur l’IVA était : PA-CABG, 0% ; MIDCAB, 1.8% ; TECAB, 10% ; p<0.01. A trois ans, les taux actuariels de survie sans réintervention étaient : PA-CABG, 100% ; MIDCAB, 98±5 % ; TECAB, 88±8 % ; p<0.05. / This thesis is based on the evaluation studies of an instrumental platform dedicated to video assisted minimally invasive mitral valve surgery, and of the robotic Da Vinci system in LAD bypass with mammary artery in a closed chest approach. 1) Evaluation of Portaclamp. In 20 patients who underwent cardiac surgery with Portaclamp, a clinical study showed that the clamping system is safe, fast and easy and does not generate undue morbidity. In a pig model, severe lesions of the intima were observed on the clamping spot with the endoclamp, in comparison with Portaclamp and Chitwood clamp. 2) Evaluation of Portapleg. Portapleg is an auto-suturing system dedicated to antegrade cardioplegia delivery, and based on a Nitinol clip left implanted on the aorta. In 20 patients, the closure of the puncture aortic hole and the haemostasis after protamine were obtained in all cases. The procedure did not generate undue morbidity and there was no device-related adverse event. 3) Evaluation of Mitrax’s. The Mitrax’s retractor is a pattern cut polymer sheet, self-expanding and auto-adjusting. The effectiveness of Mitrax’s was evaluated in 62 patients who consecutively underwent a video-assisted mitral valve procedure. The global satisfaction index was 4.6±0.5, demonstrating the effectiveness of the device which provides optimal exposure and excellent direct vision. 4) Comparative analysis of minimally invasive techniques for LAD revascularization with mammary artery graft (Port Access, MIDCAB, TECAB). In a prospective study, 160 patients were included. At 3-month postoperatively, the end-point of LAD reintervention were PA-CABG, 0%; MIDCAB, 1.8%; TECAB, 10%; p=0.01. At 3-year, reintervention-free survival was significantly lower in the TECAB group: PA-CABG, 100% ; MIDCAB, 98±5 % ; TECAB, 88±8 % ; p<0.05.

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La robotique chirurgicale vise à rendre les gestes du chirurgien plus précis et moins invasifs. La complexité d'une salle d'opération conduit à rechercher des dispositifs robotiques aussi compacts que possible et pouvant être facilement stérilisés. Une conception robotique basée sur l'emploi de mécanismes compliants à structures monolithiques et d'actionneurs piézoélectriques est particulièrement intéressante sur ce point. Des travaux précédents conduits au laboratoire ont permis de proposer un dispositif robotique pour le pontage coronarien qui facilite la réalisation des gestes minimalement invasifs sur cœur battant. Ce dispositif répond au besoin médical mais manque aujourd'hui de la compacité souhaitée pour une intégration optimale. À partir du cas d'application où nous cherchons à réduire la taille du dispositif de compensation, nous nous intéressons, dans cette thèse, aux problématiques de conception de mécanismes compliants à fortes contraintes d'intégration. Nous étudions d'abord la possibilité d'intégrer le dispositif de compensation directement dans la tige du stabilisateur cardiaque passif. Puis, nous étudions la possibilité de réduire la taille du dispositif de compensation en amont, en explorant les possibilités de réaliser des mécanismes dans un plan. Nous avons notamment proposé une méthode originale de conception de mécanismes compliants plans à partir de l'analyse des singularités de mécanismes à architectures parallèles en configuration plane. Afin d'optimiser les différents mécanismes très contraints par les volumes imposés, une méthode originale d'optimisation à base d'un algorithme de colonie de fourmis est employée.

La robotique chirurgicale vise à rendre les gestes du chirurgien plus précis et moins invasifs. La complexité d’une salle d’opération conduit à rechercher des dispositifs robotiques aussi compacts que possible et pouvant être facilement stérilisés. Une conception robotique basée sur l’emploi de mécanismes compliants à structures monolithiques et d’actionneurs piézoélectriques est particulièrement intéressante sur ce point. Des travaux précédents conduits au laboratoire ont permis de proposer un dispositif robotique pour le pontage coronarien qui facilite la réalisation des gestes minimalement invasifs sur cœur battant. Ce dispositif répond au besoin médical mais manque aujourd’hui de la compacité souhaitée pour une intégration optimale. À partir du cas d’application où nous cherchons à réduire la taille du dispositif de compensation, nous nous intéressons, dans cette thèse, aux problématiques de conception de mécanismes compliants à fortes contraintes d’intégration. Nous étudions d’abord la possibilité d’intégrer le dispositif de compensation directement dans la tige du stabilisateur cardiaque passif. Puis, nous étudions la possibilité de réduire la taille du dispositif de compensation en amont, en explorant les possibilités de réaliser des mécanismes dans un plan. Nous avons notamment proposé une méthode originale de conception de mécanismes compliants plans à partir de l‘analyse des singularités de mécanismes à architectures parallèles en configuration plane. Afin d’optimiser les différents mécanismes très contraints par les volumes imposés, une méthode originale d’optimisation à base d’un algorithme de colonie de fourmis est employée. / Surgical robotics helps to increase the surgeon’s accuracy and limits the invasiveness of the surgery. The complexity of an operation room implies to design surgical devices that are as compact as possible and that can be easily sterilized. One interesting design approach is to combine compliant mechanisms, which have a monolithic structure, and piezoelectric actuators. Based on this approach, a robotic device for minimally invasive coronary artery bypass grafting has been proposed previously in our laboratory. This device successfully helps to increase the stabilization of the heart surface during the surgery but its compactness needs to be increased for an optimal integration in the operation room. Based on the need to reduce the compensation mechanism of this device, the problem of the design of compliant mechanisms with strong integration constrains is studied in this PhD thesis. First, the possibility to integrate the compensation mechanism directly in the shaft is considered. Then, the possibility to reduce the compensation mechanism at the end of the shaft by considering an assembly of planar manufactured structures is considered. Among the contributions, we propose an original design method based on the analysis of singularities of parallel manipulators in planar configuration. We also propose an original optimization method based on ant colony optimization in order to optimize the compliant architectures proposed in this work.