La manipulation robotique d'une sonde échographique a été un important sujet de recherche depuis plusieurs années. Plus particulièrement, des méthodes d'asservissement visuel guidé par échographie ont été développées pour accomplir différentes tâches, telles que la compensation de mouvement, le maintien de la visibilité d'une structure pendant la téléopération, ou le suivi d'un instrument chirurgical. Cependant, en raison de la nature des images échographiques, garantir une bonne qualité d'image durant l'acquisition est un problème difficile, qui a jusqu'ici été très peu abordé. Cette thèse traite du contrôle de la qualité des images échographiques acquises par une sonde robotisée. La qualité du signal acoustique au sein de l'image est représentée par une carte de confiance, qui est ensuite utilisée comme signal d'entrée d'une loi de commande permettant d'optimiser le positionnement de la sonde échographique. Une commande hybride est également proposée pour optimiser la fenêtre acoustique pour une cible anatomique qui est détectée dans l'image. L'approche proposée est illustrée dans le cas d'un scénario de télé-échographie, où le contrôle de la sonde est partagé entre la machine et le téléopérateur. / The robotic guidance of an ultrasound probe has been extensively studied as a way to assist sonographers in performing an exam. In particular, ultrasound-based visual servoing methods have been developed to fulfill various tasks, such as compensating for physiological motion, maintaining the visibility of an anatomic target during teleoperation, or tracking a surgical instrument. However, due to the specific nature of ultrasound images, guaranteeing a good image quality during the procedure remains an unaddressed challenge. This thesis deals with the control of ultrasound image quality for a robot-held ultrasound probe. The ultrasound signal quality within the image is represented by a confidence map, which is used to design a servo control law for optimizing the placement of the ultrasound probe. A control fusion is also proposed to optimize the acoustic window for a specific anatomical target which is tracked in the ultrasound images. The method is illustrated in a teleoperation scenario, where the control is shared between the automatic controller and a human operator.

La spasticité affecte entre 67 et 78% des individus vivant avec une lésion médullaire (LM) d'origine traumatique, ainsi qu'entre 15 et 56% des individus ayant une LM non-traumatique. Ce phénomène s'identifie comme étant un désordre moteur caractérisé par une augmentation vélo-dépendante (vitesse-dépendante) du réflexe tonique d'étirement avec une exagération du réflexe ostéotendineux, résultant d'une hyperexcitabilité du réflexe d'étirement. L'impact de la spasticité des membres inférieurs sur la fonction locomotrice fait l'objet de vifs débats dans la littérature scientifique existante. Cette disparité pourrait être expliquée, en partie, par les limites des outils cliniques utilisés pour mesurer la spasticité. Les outils cliniques sont régulièrement basés sur une échelle ordinale de la résistance perçue par l'évaluateur lors d'un mouvement passif du segment évalué, ce qui soulève des questionnements quant aux qualités métrologiques de ces outils. Il a été suggéré qu'une évaluation de la spasticité basée sur des données neurophysiologiques, tel que le réflexe d'étirement, et effectuée pendant la marche, pourrait procurer une approche plus directe pour étudier la relation entre ce désordre et la fonction locomotrice. L'objectif principal de mes études de maîtrise consistait à décrire la réponse réflexe des muscles fléchisseurs plantaires (FP) à l'étirement, mesurée avec un protocole d'évaluation pendant la marche, chez des individus ayant subi une LM incomplète. Également, la relation entre la spasticité des FP et la fonction locomotrice a été étudiée. Pour atteindre ces buts, une orthèse robotisée électrohydraulique a été utilisée pour induire des étirements contrôlés des muscles FP, pendant la phase d'appui et la phase d'oscillation de la marche. Les résultats de cette étude pourront permettre de mieux comprendre le phénomène de la spasticité, et ainsi d'établir des bases solides pour justifier le développement et l'utilisation de protocoles d'évaluation de la spasticité basés sur des données neurophysiologiques ET effectués pendant la marche. À plus long terme, l'utilisation de ce type de protocole pourrait contribuer à démontrer l'efficacité de certaines interventions utilisées en physiothérapie ciblant la spasticité. / Spasticity affects approximately 67 to 78% of individuals living with a traumatic spinal cord injury (SCI), in addition to between 15 to 56% of individuals living with a non-traumatic SCI. This phenomenon is defined as a motor disorder characterized by a velocity-dependent increase in tonic stretch reflexes with exaggerated tendon jerks, resulting from hyperexcitability of the stretch reflex. Existing literature presents equivocal results regarding the impact of lower limb spasticity on locomotor function. These divergent results may be explained, at least partly, by the limitations of the clinical assessment tools used to measure spasticity. Clinical tools are regularly based on an ordinal scale and are focused on the perceived resistance to passive stretching, which raise questions about the metrological qualities of these tools. It has been suggested that an assessment of spasticity including neurophysiological data, such as stretch reflex (SR), performed during gait may provide a more direct approach to study the relationship between this disorder and locomotor function. The main objective of my master studies was to investigate plantarflexors SR response to stretching, using an assessment while walking among individuals living with an incomplete SCI. In addition, relationship between spasticity and locomotor function was studied. To achieve these goals, a robotic electrohydraulic orthosis was used to induce controlled plantarflexor stretches during the stance and swing phases of gait. Results of this study will allow to better understand spasticity, to establish solid justifications to develop and use assessment protocols based on neurophysiological data AND during gait. In the long term, the use of this type of assessment could contribute to demonstrating the effectiveness of interventions used in physical therapy targeting spasticity

En télémédecine aussi bien qu'en téléchirurgie, où les délais de communication entre l'opérateur et le patient sont trop importants pour percevoir le retour d'effort en temps réel, il est crucial de développer des outils intelligents autonomes capables de s'adapter aux changements locaux de géométrie et aux perturbations d'efforts. Dans ce mémoire, il est proposé de développer un nouveau préhenseur capable d'une prise autonome sur des objets de tout acabit. La pierre angulaire de ce nouveau préhenseur miniature est l'utilisation du sous-actionnement pour limiter le nombre d'actionneurs et l'utilisation d'articulations flexibles pour faciliter la miniaturisation du principe. Le bon fonctionnement du mécanisme repose sur une définition appropriée des critères de performance, sur un modèle mathématique juste et sur une optimisation adéquate.

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.

Teleoperation systems have been used in the operating rooms for more than a decade. However, the lack of force feedback in commercially available systems still raises safety issues and forbids surgical gestures like palpation. Although force feedback has already been implemented in experimental setups, a systematic methodology is still lacking to design the control laws.<p><p>The approach developed in this thesis is a contribution towards such a systematic<p>methodology: it combines the use of disturbance observers with the use of a structured fixed-order controller. This approach is validated by experiments performed on a one degree of freedom teleoperation system. A physical model of this system is proposed and validated experimentally.<p><p>Disturbance observers allow to compensate friction, which is responsible for performance degradation in teleoperation. Contrary to alternative approaches,they are based on a model of the frictionless mechanical system. This allows to compensate friction with a time varying behavior, which occurs in laparoscopy.<p><p>Parametric uncertainties in this model may lead to an unstable closed-loop. A kind of "separation principle" is provided to decouple the design of the closed-loop system from the design of the observer. It relies on a modified problem statement and on the use of available robust design and analysis tools.<p><p>A new metric is proposed to evaluate the performance of friction compensation systems experimentally. This metric evaluates the ability of a compensation system to linearize a motion system, irrespective of the task and as a function of frequency. The observer-based friction compensation is evaluated with respect to this new metric and to a task-based metric. It correctly attenuates the friction in the bandwidth of interest and significantly improves position and force tracking during a palpation task.<p><p>Structured fixed-order controllers are optimized numerically to achieve robust closed-loop performance despite modeling uncertainty. The structure is chosen among classical teleoperation structures. An efficient algorithm is selected and implemented to design such a controller, which is evaluated for a palpation task. It is compared to a full-order unstructured controller, representative of the design approach that has been used in the teleoperation literature up to now. The comparison highlights the advantages of our new approach: order-reduction steps and counter-intuitive behaviors are avoided. <p><p>A structured fixed-order controller combined with a disturbance observer is implemented during a needle insertion experiment and allowed to obtain excellent performance. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished