L'endomicroscopie confocale laser fibrée (pCLE, pour probe-based Confocal Laser Endomicroscopy) est une modalité d'imagerie qui permet d'obtenir des images d'un tissu en temps-réel, avec une résolution micrométrique, lorsque l'on place la sonde d'imagerie au contact de celui-ci. En chirurgie digestive, cette technologie peut être utilisée pour remplacer les biopsies extemporanées par des biopsies optiques, sans prélèvement de tissu. Ceci permet de réduire le temps opératoire et l'invasivité de l'opération. Généralement, afin de rendre un diagnostic clinique sur l'état cancéreux d'un tissu, les cliniciens analysent non seulement les cellules, mais également leur organisation relative. Cependant, pour des raisons techniques, il n'est pas possible d'avoir une sonde petite, donnant des images grand champ, et avec une résolution de l'ordre du micromètre. Ainsi, les images confocales sont la plupart du temps trop petites pour que les cliniciens puissent poser un diagnostic. Une solution possible à ce problème est de déplacer la sonde sur la surface du tissu afin de collecter une suite d'images que l'on recale afin grâce à un algorithme de mosaicing afin de reconstruire une image grand champ. Cette technique a fait l'objet de nombreuses études. Ces études ont essentiellement porté sur l'algorithme de mosaicing, et peu d'intérêt a été porté jusqu'à présent au mouvement de balayage de la sonde sur le tissu. La plupart du temps, ce mouvement est réalisé à la main en utilisant les manettes d'un fibroscope dans des applications de gastroentérologie. Ce type d'actionnement ne permet pas de contrôler la trajectoire de la sonde correctement, surtout en présence de mouvements physiologiques et de déformations des tissus sous l'action de la sonde. Notre travail porte sur la conception et le développement d'instruments minimalement invasifs robotisés permettant de réaliser des biopsies optiques dans la cavité abdominale. Premièrement, une méthode permettant d'estimer la vitesse dans les images endomicroscopiques est décrite et évaluée (chapitre 2). Cette méthode est alors utilisée pour mettre en évidence et modéliser les déformations des tissus mous lorsque la sonde est en mouvement à leur contact (chapitre 3). Un modèle phénoménologique simple utilisant un seul paramètre est proposé, ainsi qu'une procédure de calibration en ligne. Deux stratégies sont proposées afin de compenser les déformations, l'une utilisant une trajectoire ligne par ligne modifiée et l'autre utilisant un balayage en spirale qui permet de minimiser l'influence des déformations du tissu. Par ailleurs, un algorithme de commande par asservissement visuel est également proposé. Celui-ci est basé sur l'estimation de vitesse présentée dans le chapitre 2, et permet de contrôler précisément la position de la sonde tout en rejetant les déformations du tissus considérées comme une perturbation. Une variante de cet algorithme est également proposée pour contrôler la vitesse d'avance le long d'un balayage contraint à une trajectoire en spirale. On montre, lors d'expériences ex vivo réalisées avec un robot industriel de précision, que le bon contrôle de la position de la sonde le long de la trajectoire permet de réaliser des mosaïques significativement plus grandes que celles que l'on peut trouver dans la littérature existante. Enfin, les méthodes développées sont appliquées à des instruments minimalement invasifs. On propose ici une structure d'instrument qui combine des mouvements macroscopiques pour la navigation dans l'abdomen, un système passif de compensation des mouvements physiologiques, et un actionnement à l'échelle microscopique pour le balayage de la sonde. Deux systèmes de micro-actionnement sont proposés. Le premier utilise un actionnement hydraulique grâce à des micro-ballons et permet de réaliser des trajectoires arbitraires à la surface du tissu, tandis que le second a comme seul degré de liberté une rotation proximale qui est transformée en un mouvement de spirale grâce à un mécanisme distal. Des essais ex vivo et in vivo ont été menés avec succès afin de tester la précision et la robustesse des systèmes et algorithmes de commande proposés.

Le geste médical assisté par ordinateur en salle d'opération n'a pas cessé de progresser lors de ladernière décennie. Ce phénomène est lié à l'évolution des techniques de chirurgie et notamment àl'apparition des techniques dites mini-invasives. Cette pratique bien que révolutionnaire car ellepermet de diminuer les risques d'infection a introduit de nombreux problèmes. En effet, lechirurgien est limité dans ses gestes à cause de la restriction de mouvement imposée par les trocarts.De ce fait, la communauté robotique s'est assez rapidement intéressée aux problématiques deschirurgiens afin de développer des dispositifs robotisés adaptés. Un des grands thèmes étudié estcelui de la téléopération. Cette dernière consiste à utiliser deux dispositifs robotisés communémentappelés: maître et esclave. Dans le contexte médical, le robot maître est manoeuvré par le chirurgienet le robot esclave est au contact de l'organe à opérer. La première génération de ces systèmes nepermettait pas au chirurgien de ressentir les efforts qu'il exerçait sur les organes du patient. Unedeuxième génération de dispositifs est apparue en introduisant le retour d'efforts. Au delà desproblèmes de stabilité et de commande rencontrés, de tels systèmes permettent de réduire lesimperfections du geste humain ou d'en augmenter les capacités. Une des gênes constatées par leschirurgiens lors de l'utilisation de tels systèmes est le mouvement physiologique des organes àopérer.Cette thèse s'est principalement focalisée sur le thème de la compensation des mouvementsphysiologiques dans le cadre de la téléopération avec retour d'efforts. L'objectif étant de démontrerqu'il est possible pour le chirurgien de téléopérer un organe soumis à des mouvementsphysiologiques, et notamment le mouvement respiratoire, sans qu'il ne ressente cette perturbation.[...] / Computer aided medical gesture kept increasing during the last decade. This phenomenon is linkedto the evolution of surgical technique and specially the use of minimally invasive surgery. Thisrevolutionary technique allows reducing infection risks but introduces new problems. Indeed, thesurgeon has limited motion capability because the use of trocars. Therefore, robotics communityinterest has kept growing in order to develop specific robotized devices. One of the most currentstudied topics is teleoperation in which two robots are used: the master and the slave. In a medicalcontext, the master robot is manipulated by the surgeon and the slave robot is in contact with theoperated organ. The first generation of those systems did not allow the surgeon to feel how muchforce he applies on the patient. Then with the second generation, force-feedback was introduced.Even if this technique introduces new problems such as control and stability, it also allows medicalgesture improvements. One commonly cited problem is the physiological motion of organs forexample.This thesis mainly focuses on the subject of physiological motion compensation in the context ofmedical force feedback teleoperation. The aim is to prove that the surgeon is able to teleoperate anorgan submitted to a physiological motion, and especially respiratory motion, without feeling thisdisturbance.First of all, the choice of the teleoperation scheme is important. In the literature, many can be found.To simplify this study, a two communication channel scheme has been chosen. This means that onlyone information is sent from the master to the slave and another one from the slave to the master. Inorder to fulfill a task in the free space and in contact with the environment, and to compensate aforce disturbance, the force-position scheme is selected. In this case, the slave sends forceinformation and the master sends back position information.[...]

A partir de la conception d’un robot pour une application médicale particulière de télé-échographie, une démarche de conception générique de robots médicaux est proposée. L’étude se décompose en deux phases : la synthèse topologique et la synthèse dimensionnelle. La première est effectuée pour toutes applications médicales à partir de connaissances capitalisées dans un catalogue de robots médicaux réalisé au préalable. La synthèse dimensionnelle est établie pour un robot de télé-échographie. Une nouvelle structure cinématique de poignet sphérique série permettant de rejeter la singularité aux frontières de l’espace de travail est proposée. Après avoir réalisé une analyse cinématique validant le concept, plusieurs optimisations multi-critères sont effectuées selon des critères de performances cinématiques (manipulabilité, dextérité) et d’encombrement (compacité). Une comparaison de l’influence des indices de performance sur l’optimisation est réalisée. Le concept pour l’application de télé-échographie choisi et dimensionné, une démarche de conception préliminaire à l’aide de l’outil CAO est présentée. Une phase de conception collaborative avec des designers est menée afin d’améliorer l’ergonomie, la compacité et l’esthétique du robot. L’association des étapes de synthèses et de conception préliminaire a conduit à la proposition d’une démarche de conception de robots médicaux. / From the design of a tele-echography robot for a specific medical application, a generic methodology for medical robots design is proposed. The study is presented in two parts: a topological synthesis and a dimensional one. The first is made for all medical applications, from a medical robots catalogue built beforehand. The second synthesis is established for a tele-echography robot. A new spherical kinematic structure permitting to reject singularities to the boundaries of the workspace is proposed. After having validated this concept from a kinematic point of view, several multi-criteria optimisations are realised according to kinematic indices (manipulability, dexterity) and bulkiness (compactness). A comparison of indices influence on optimisations is carried out. The concept for teleechography robot chosen and dimensioned, a process of embodiment design with CAD tool is presented. A collaborative design phase with designers is led to improve ergonomics, compactness and aesthetic of the robot. The association of synthesis steps and embodiment design lead to propose a process of medical robots design.

La vertébroplastie percutanée est une intervention non chirurgicale et peu invasive qui consiste à injecter, sous contrôle radioscopique, un ciment orthopédique dans le corps vertébral. Malgré son efficacité, celle-ci présente quelques inconvénients non négligeables. Le premier est dû au ciment orthopédique qui est injecté pendant sa polymérisation. Au début, sa faible viscosité augmente le risque de fuite hors de la vertèbre traitée, ce qui peut provoquer de lourdes complications. Ensuite, la variation rapide de viscosité limite la durée. Le second désagrément concerne le contrôle par fluoroscopie à rayons X qui expose le praticien de manière prolongée. Ainsi, l’enjeu de ce projet est de proposer aux radiologues un nouveau système d’injection à distance avec retour d’effort sur lequel la viscosité du ciment est régulée pendant l’injection. Le développement de ces aspects permettra la radioprotection des praticiens, une réduction des risques de fuite et une durée d’injection allongée. / Percutaneous vertebroplasty is a minimally invasive intervention that involves injecting bone cement, under fluoroscopic guidance, into the vertebral body. It consolidates the fractured vertebra and reduces pain. However, some inconveniences must be considered. The major difficulties are related to the cement that is injected during its curing phase. It is very liquid at the beginning of the injection, which introduces a high risk of leakage outside the vertebra and, thus, potential dramatic complications. During the injection, the reaction progresses and the cement hardens suddenly, leaving a short working phase. Finally, the operator is permanently exposed to harmful X-rays. This work aims to provide a new teleoperated injection device with haptic feedback that allows a fine supervision of the cement injection by including a viscosity control system. This device will allow the radioprotection of the medical staff, a reduction of the leakage risks and an extended injection phase.

Le cancer de la prostate, fréquent et peu morbide, se diagnostique par des biopsies de prostate. Or ce geste, effectué sous échographie endorectale sur un patient anesthésié localement, est complexe et fournit peu d’informations quantitatives sur les prélèvements. La robotisation des biopsies est vue comme un medium intéressant pour améliorer la qualité du diagnostic du cancer de la prostate. Le geste chirurgical et son impact sur le diagnostic sont d’abord étudiés, ainsi que les dispositifs robotiques existants. Sur cette base est conçu Apollo, un cobot à actionnement hybride pouvant réaliser plusieurs fonctions d’assistance. Un mode libre permettant à l’urologue de manipuler la sonde échographique sans influence aucune du robot est d’abord présenté. Un mode verrouillé assurant un maintien en position de la sonde à la fois souple et précis est évalué in vitro et in cadavero. Des essais cliniques portant sur ces deux modes ont été autorisés. Lors de biopsies prostatiques la sonde passe par l'anus du patient, sur lequel il faut exercer le moins d'effort possible. Nous montrons qu'Apollo permet, en utilisant une commande "bras de levier", d'assister le geste via un retour d'effort tout en respectant cette contrainte anatomique. Une telle fonction d'assistance, l'augmentation de raideur apparente de la prostate basée image, est développée sur un prototype à un degré de liberté. Enfin, une assistance automatique à l'ajustement fin de la ligne de visée de l'aiguille par bouclage sur l’image échographique 3D est implémentée et testée. Plusieurs perspectives de recherche sont présentées en conclusion. / Prostate cancer, which is frequent but not much morbid, is diagnosed thanks to prostate biopsies. This gesture, which is performed under 2D ultrasound endorectal imaging, is complex and gives little quantitative information about the samples. That's why robotizing biopsies is seen as an interesting way to improve the quality of the prostate cancer diagnosis. The medical gesture and its impact on the diagnosis are first studied, as well as the existing robotic devices. From this Apollo is designed, a cobot exhibiting an hybrid actuation. Many assistance functions can be realized with this device. A free mode allowing the urologist to manipulate the ultrasonic probe without any influence from the robot is first presented. A locked mode, able to maintain the probe at a given position precisely yet with flexibility is evaluated in vitro and in cadavero. Clinical trials concerning these two modes have been authorized. During prostate biopsies the probe passes through the patient anus, on which as little efforts as possible must be exerted. We show that Apollo, with a "lever" command, can assist the gesture with a force feedback while respecting this anatomical constraint. Such an assistance function, the image based increase in the prostate apparent stiffness, is developed on a one degree of freedom prototype. Finally, an automatic assistance to the precise positionning of the biopy needle target line based on 3D image looping is implemented and tested. Some future research interests are presented as a conclusion.

Du fait que les complications liées à l'utilisation d'instruments obstétriques proviennent d'un problème de formation des jeunes obstétriciens et sages-femmes, nous proposons le simulateur d'accouchement BirthSIM comme un outil pour acquérir une première expérience obstétrique. En effet, un simulateur offre à l'équipe médicale une formation sans risque afin de compléter la formation traditionnelle en salle d'accouchement.<br /><br />Le simulateur BirthSIM se compose de mannequins anthropomorphes pour assurer la continuité avec la salle d'accouchement. Pour reproduire les forces mises en jeu, un vérin pneumatique commandé par un servodistributeur est asservi en position et en effort afin de simuler différents accouchements. Pour évaluer le geste obstétrique celui-ci est décomposé en deux étapes : la pose des forceps et le geste d'extraction. Pour analyser la pose des forceps, ces derniers ont été instrumentés avec des capteurs de position à six degrés de liberté, puis des méthodes d'analyse des gestes ont été développées pour évaluer objectivement la répétabilité des opérateurs, leur erreur et le taux de similarité de leur geste par rapport à un geste de référence. Concernant le geste d'extraction, un capteur de force placé au niveau du cou foetal enregistre la force exercée par l'opérateur. Une fonction d'évaluation regroupe les paramètres liés à cette extraction<br />(force maximal, travail, etc.) afin d'obtenir un indice de performance du geste.<br /><br />Enfin, l'interface de visualisation du simulateur permet aux opérateurs de voir un geste habituellement réalisé en aveugle car prenant place à l'intérieur du bassin maternel. Une méthode d'apprentissage sans risque du geste obstétrique est proposée à l'équipe médicale. En<br />utilisant les méthodes d'évaluation développées, la progression de la technique des obstétriciens formés sur le simulateur BirthSIM est quantifiée. Les résultats obtenus confirment et complètent les résultats disparates trouvés dans la littérature et attestent de l'intérêt d'un simulateur.

Les robots légers utilisés pour la télé-échographie robotisée permettent, à l'expert médical, d'orienter à distance une sonde ultrasonore 2D. L'analyse en temps réel de l'image ultrasonore du patient, reçue via un lien de communication, permet à l'expert de définir un diagnostic. Les validations cliniques du concept de télé-échographie robotisée montrent qu'il est ainsi possible de pallier le manque d'experts en ultrasonographie sur des sites médicalement isolés. Le robot porte-sonde est positionné et maintenu sur le corps du patient par un assistant à partir des informations communiquées par le spécialiste via visioconférence. Cependant, la faible masse du robot, le fait qu'il soit maintenu par un assistant sur le corps du patient et les mouvements physiologiques du patient provoquent des perturbations dans la position de la sonde et engendrent ainsi des pertes des sections d'intérêt des organes étudiés. Les travaux de cette thèse ont consisté à développer une approche par asservissement visuel basé sur les moments d'image ultrasonore 2D. Le calcul des moments 2D étant basé sur les points du contour de la section d'intérêt, un algorithme de traitement d'images efficace est nécessaire pour détecter et suivre le contour d'intérêt en mouvement. Pour cela, une méthode de contour actif paramétrique basée sur les descripteurs de Fourier est présentée. Les lois de commandes correspondant à trois tâches autonomes autorisant la recherche et le maintien de visibilité d'un organe lors de l'acte médical télé-opéré sont implémentées et validées sur la plateforme robotique du projet ANR Prosit. / The light weight robots used for robotized tele-echography allow the medical expert to remotely operate a 2D-ultrasound probe. The real-time analysis of the patient's ultrasound images, received via a standard communication link, provides the expert with relevant information to define a diagnosis. The clinical validations of the robotized tele-echography concept show that it is possible to overcome the lack of sonographers in medically isolated sites. The robot probe-holder is usually positioned and held on the patient's body by a paramedical staff based on information provided by the specialist via videoconferencing. However, the small mass of the robot, the fact that it is held by an assistant on the patient's body and the patient's physiological movements cause disturbances in the position of the probe ; this thus can generate a loss of the region of interest of the organ being under investigation during the teleoperated medical act. This thesis work focuses on the development of a visual servoing approach based on 2D ultrasound image moments. 2D moments calculation is based on the contour points of the image section of interest, therefore an image-processing algorithm is needed to effectively detect and follow the contour of interest in motion. For this reason, a parametric active contour method based on Fourier descriptors is presented. The control laws, corresponding to three independent autonomous tasks to search and maintain the visibility of an organ within a given ultrasound plane during the tele-operated medical act are implemented and validated on robotic platform project ANR Prosit.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la modélisation et la commande des robots poly-articulés utilisés dans les applications d'imagerie médicale. Ces travaux ont porté sur deux aspects complémentaires, d'une part, la méthodologie de modélisation des robots positionneurs dans les applications d'imagerie médicale. D'autre part, les méthodologies de contrôle de mouvements et de réduction des vibrations. Les concepts développés dans ce travail sont présentés selon une approche « Bottom-up » visant à étudier le cas mono-axe afin de mieux définir la problématique identifiée et de comprendre l'impact des solutions. Ensuite, l'étude portera sur l'extension des concepts retenus dans le cadre de la commande multiaxe du robot. Dans la phase de modélisation, une démarche formalisée en vue d'obtenir les modèles des robots (de connaissances, d'analyse et de commande) est exposée. Aussi, ce travail vise à démontrer, via une étude comparative, le potentiel d'application de plusieurs approches de modélisation et de commande dans ce cadre précis. En complément au travail de modélisation, un outil d'aide à la modélisation a été mise en place. Les modèles établis ont permis d'étudier différentes stratégies de commande, l'étude a porté sur l'élaboration de trois actions de commande, à savoir, la génération de trajectoire du système, le calcul du couple d'anticipation, et le calcul du correcteur qui permet de garantir la poursuite de la trajectoire. Enfin, une part importante de ce travail a été consacrée à la validation expérimentale des modèles établis et aux essais des lois de commandes retenues sur les robots d'imagerie médicale.

On assiste depuis quelques années à l'émergence d'une robotique médicale proposée pour accroître la précision des actes, améliorer les conditions de travail de l'équipe chirurgicale et le confort du patient. Nos recherches s'inscrivent dans le projet national EndoXiroB du RNTS dont l'objectif est la réalisation d'un ensemble robotisé de chirurgie mini-invasive. Elles sont dédiées à la conception et à la réalisation, en s'appuyant sur les technologies microsystèmes, d' une instrumentation chirurgicale poly-articulée équipée d'outils terminaux intégrés permettant une mesure des efforts et une découpe thermo-coagulante des tissus vivants. Nous présenterons une description complète de notre proposition qui consiste en une articulation poly-articulée innovante, proche du type « corps de serpent ». Cette articulation, commandée par quatre ou six fils, est composée de liaisons rotules plastiques accompagnées par plusieurs fils métalliques assurant à l'ensemble une rigidité en torsion et flexion. Nous décrirons nos travaux sur la conception microsystème d'un capteur d'effort deux axes pour mesurer des forces de tiraillement sur les tissus. Le microsystème utilise deux niveaux de silicium intégrant un corps d'épreuve à quatre branches orthogonales et un ensemble d'électrodes capacitives inter-digitées.Nous exposerons nos premières études sur la conception de lames thermo-chauffantes pour la découpe et la coagulation des tissus. Ces études sont basées sur la réalisation de lames en technologie silicium. Au-delà de la simple découpe et de la mesure des efforts, on peut imaginer d'intégrer d'autres micro-capteurs sur les outils chirurgicaux. Il serait ainsi possible d'augmenter la sécurité de l'acte chirurgical en évaluant, par exemple, la présence d'artères, de vaisseaux ou de nerfs à proximité de l'outil de chirurgie. Pour finir, nous proposerons une réflexion plus prospective basée sur la miniaturisation d'un robot portable intégrant un dispositif compact pour actionner l'a rticulation terminale de l'instrument chirurgical. Au-delà de cette réflexion, une solution extrême consisterait dans le futur à transférer tous les degrés de liberté d'un système robotisé à l'intérieur de la cavité opératoire.

Objectifs : 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 per-opératoire des mouvements et de la déformation de la prostate a été créé. 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 per-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.