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.[...]

Ces travaux mettent en place les bases d'une architecture de vision 3D pour un projet de plate-forme robotique de compensation de mouvements cardiaques, pour la chirurgie coronarienne mini-invasive à cœur battant. Les objectifs recherchés sont le suivi et la reconstruction en temps réel des mouvements du cœur, à partir des images fournies par une ou deux caméras. Une première contribution est la sélection d'un ensemble de descripteurs optimaux pour l'analyse de la texture du cœur, réalisée par des méthodes d'analyse statistique multidimensionnelle. Ce jeu de descripteurs est alors mis en œuvre dans un algorithme original de suivi hybride, qui utilise à la fois des informations issues de l'analyse de texture et de la mise en correspondance de motifs. Cet algorithme est évalué sur des images de synthèse ainsi que sur des images acquises in vivo grâce à une plate-forme d'acquisition haute fréquence développée pour l'occasion. Cette évaluation montre l'avantage de coupler l'information de motif avec l'information de texture au niveau de la robustesse du suivi vis-à-vis des déformations de l'organe. Nous proposons ensuite d'appliquer ces méthodes à la reconstruction 3D des mouvements du cœur par stéréo-vision. Cette méthode utilise l'analyse de texture afin d'améliorer le recalage des données entre les vues. Des résultats sont présentés sur des images expérimentales afin d'illustrer la méthode.

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d'un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d'un robot de télé-échographie et d'un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l'amélioration de la compacité d'une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l'ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l'optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d'améliorer les performances en termes de force et vitesse à l'effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d'adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l'aspect imparfait du processus créatif.

Une maladie appelée cholestéatome affecte l'oreille moyenne, en absence de traitement, elle pourrait conduire à des complications graves. Le seul traitement dans la pratique médicale actuelle est une procédure chirurgicale. Les incidences de cholestéatome résiduelle ou récurrente sont élevés et le patient doit subir plus d'une intervention chirurgicale. Par conséquent, un système robotique original a été proposé pour d'éliminer l'incidence du cholestéatome résiduel en enlevant efficacement toutes les cellules infectées de la première intervention chirurgicale, et de faire une chirurgie moins invasive. Ainsi, ce manuscrit montre les différents défis auxquels fait face le chirurgien à travers une telle micro-procédure. Il est également défini le cahier de charge pour la réalisation d'un système futuriste dédié à la chirurgie du cholestéatome. En outre, un contrôleur est proposé comme un première étape vers le système idéal. Un tel contrôleur permet de guider un outil chirurgical rigide afin de suivre un chemin de référence sous les contraintes du trou d'incision. Le contrôleur proposé peut guider soit un outil droit, soit un outil courbe. En effet, le contrôleur proposé est une commande de haut niveau qui es formulé dans l'espace de tâche (ou espace Cartésien). Ce contrôleur est une couche modulaire qui peut être ajoutée à différentes structures robotiques. Le contrôleur proposé a montré de bons résultats en termes de précision tout en étant évalué sur un robot parallèle et un robot en série. / A disease called cholesteatoma affects the middle ear, in the absence of treatment, it could lead to serious complications. The only treatment in current medical practice is a surgical procedure. Incidences of residual or recurrent cholesteatoma are high and the patient may have more than one surgical procedure. Therefore, a novel robotic system was proposed to eliminate the incidence of residual cholesteatoma by removing efficiently all infected cells from the first surgery, and make a less invasive surgery. Thus, this manuscript shows the different challenges that face the surgeon through such a micro-procedure. It also is specified the requirements for achieving a futuristic system dedicated to cholesteatoma surgery. In addition, a controller is proposed as a first step toward the ideal system. Such a controller allows to guide a rigid surgical tool for following a reference path under the constraints of the incision hole. The proposed controller can guide either a straight tool or a curved one. Indeed, the proposed controller is a high level control which is formulated in the task-space (or Cartesian-space). This controller is a modular layer which can be added to different robotics structures. The proposed controller showed a good results in term of accuracy while assessed on a parallel robot and a serial one.

La chirurgie laparoscopique reproduit fidèlement les principes de la chirurgie conventionnelle avec une agressioncorporelle minimale. Si cette chirurgie apparaît comme étant très avantageuse pour le patient, il s’agit d’une interventionchirurgicale difficile où la complexité du geste chirurgical est accrue, en comparaison avec la chirurgie conventionnelle.Cette complexité réside en partie dans la manipulation des instruments chirurgicaux et la visualisation dela scène chirurgicale (notamment le champ de visualisation restreint d’un endoscope classique). La prise de décisionsdu chirurgien pourrait être améliorée en identifiant des zones critiques ou d’intérêts non visibles dans la scènechirurgicale.Mes travaux de recherche visent à combiner la robotique, la vision par ordinateur et la fluorescence pour apporterune réponse à ces difficultés : l’imagerie de fluorescence fournira une information visuelle supplémentaire pour aiderle chirurgien dans la détermination des zones à opérer ou à éviter (par exemple, visualisation du canal cystique lorsd’une cholécystectomie). La robotique assurera la précision et l’efficience du geste du chirurgien ainsi qu’une visualisationet un suivi "plus intuitif" de la scène chirurgicale. L’association de ces deux technologies permettra de guideret sécuriser le geste chirurgical.Une première partie de ce travail a consisté en l’extraction d’informations visuelles dans les deux modalités d’imagerie(laparoscopie/fluorescence). Des méthodes de localisation 2D/3D en temps réel d’instruments chirurgicaux dansl’image laparoscopique et de cibles anatomiques dans l’image de fluorescence ont été conçues et développées.Une seconde partie a consisté en l’exploitation de l’information visuelle bimodale pour l’élaboration de lois de commandepour des robots porte-endoscope et porte-instrument. Des commandes par asservissement visuel d’un robotporte-endoscope pour suivre un ou plusieurs instruments dans l’image laparoscopique ou une cible d’intérêt dansl’image de fluorescence ont été mises en oeuvre.Dans l’objectif de pouvoir commander un robot porte-instrument, enfonction des informations visuelles fournies par le système d’imagerie, une méthode de calibrage basée sur l’exploitationde l’information 3D de la localisation d’instruments chirurgicaux a également été élaborée. Cet environnementmultimodal a été évalué quantitativement sur banc d’essai puis sur spécimens anatomiques.À terme ce travail pourra s’intégrer au sein d’architectures robotisées légères, non-rigidement liées, utilisant des robotsde comanipulation avec des commandes plus élaborées tel que le retour d’effort. Une telle "augmentation" descapacités de visualisation et d’action du chirurgien pourraient l’aider à optimiser la prise en charge de son patient. / Laparoscopic surgery faithfully reproduce the principles of conventional surgery with minimal physical aggression.If this surgery appears to be very beneficial for the patient, it is a difficult surgery where the complexity of surgicalact is increased, compared with conventional surgery. This complexity is partly due to the manipulation of surgicalinstruments and viewing the surgical scene (including the restricted field of view of a conventional endoscope). Thedecisions of the surgeon could be improved by identifying critical or not visible areas of interest in the surgical scene.My research aimed to combine robotics, computer vision and fluorescence to provide an answer to these problems :fluorescence imaging provides additional visual information to assist the surgeon in determining areas to operate or tobe avoided (for example, visualization of the cystic duct during cholecystectomy). Robotics will provide the accuracyand efficiency of the surgeon’s gesture as well as a visualization and a "more intuitive" tracking of the surgical scene.The combination of these two technologies will help guide and secure the surgical gesture.A first part of this work consisted in extracting visual information in both imagingmodalities (laparoscopy/fluorescence).Localization methods for 2D/3D real-time of laparoscopic surgical instruments in the laparoscopic image and anatomicaltargets in the fluorescence image have been designed and developed. A second part consisted in the exploitationof the bimodal visual information for developing control laws for robotics endoscope holder and the instrument holder.Visual servoing controls of a robotic endoscope holder to track one or more instruments in laparoscopic image ora target of interest in the fluorescence image were implemented. In order to control a robotic instrument holder withthe visual information provided by the imaging system, a calibration method based on the use of 3D information of thelocalization of surgical instruments was also developed. This multimodal environment was evaluated quantitativelyon the test bench and on anatomical specimens.Ultimately this work will be integrated within lightweight robotic architectures, not rigidly linked, using comanipulationrobots with more sophisticated controls such as force feedback. Such an "increase" viewing capabilities andsurgeon’s action could help to optimize the management of the patient.

Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du projet ANR NEMRO, visant à étudier le lien entre déficience olfactive et maladies neurodégénératives. A cet effet, une biopsie optique de l’épithélium olfactif doit être réalisée. Son accès est cependant impossible, aujourd’hui, avec les outils conventionnels. Pour résoudre ce problème, nous proposons l’utilisation d’un robot à tubes concentriques (RTC). Sa synthèse est réalisée à partir d’images médicales. Elle prend en compte les critères de stabilité, la variabilité inter-sujet, et est associée à un déploiement ALFI (A La File Indienne). Le dispositif étant porté par le sujet, il doit être léger et compact. Une séquence de déploiement spécifique simplifie alors l’unité d’actionnement, et une implémentation est réalisée par fabrication additive multimatériaux. L’évaluation préliminaire d’un déploiement ALFI et des éléments de technologie clés a permis de valider l’approche retenue dans le projet NEMRO, ainsi que sa faisabilité. / This PhD thesis is part of the ANR NEMRO project, whose goal is to study the hypothetical correlation between olfactory deficiency and neurodegenerative diseases. For this purpose, an optical biopsy of the olfactory epithelium must be performed. However, this area is not accessible today with conventional tools. To go beyond this limitation, we propose to investigate the use a concentric tube robot (CTR). Its synthesis is performed from medical images. It takes into account the stability criteria, inter-subject variability, and is associated to a FTL (Follow-The-Leader) deployment. As the device is mounted on the subject, it has to be compact and lightweight. Thus, a specific deployment sequence simplifies the actuation unit, and an implementation is proposed using multimaterial additive manufacturing. Preliminary evaluations of the FTL deployment capabilities and the key components of the device allowed to validate the approach chosen for the NEMRO project, and its feasibility.

Les simulateurs d'accouchement sont des outils dédiés à la formation du personnel médical en gynécologie obstétrique. Le BirthSIM développé au laboratoire Ampère constitue une interface haptique de simulateur d'accouchement permettant de reproduire divers scénarios d'accouchement et de former les jeunes sages-femmes et obstétriciens aux différents gestes techniques nécessaires dans le cadre de leurs professions. Dans ce manuscrit, les récentes améliorations apportées au prototype du BirthSIM seront présentées. Parmi ces améliorations, deux sont particulièrement remarquables. La première concerne l'augmentation du nombre de degrés de liberté pilotés de l'interface. Ainsi, les travaux ayant permis le passage d'une interface ne comptant qu'un seul degré de liberté à quatre seront détaillés. Le BirthSIM est le seul simulateur d'accouchement qui intègre à la fois des actionneurs électriques et pneumatiques. La seconde évolution concerne le développement de lois de commande permettant d'améliorer le rendu haptique de l'interface. Les lois de commande retenues permettent d'asservir en position le BirthSIM, mais également de régler la raideur de l'interface. Ce réglage de raideur en coordonnées cartésiennes a pour objectif de reproduire le comportement de la tête fœtale en contact avec les tissus mous du bassin au cours d'une contraction. La loi de commande présentée dans ces travaux de thèse est une loi de commande non-linéaire synthétisée par backstepping. En effet, cette méthode permet de prendre en compte les phénomènes non-linéaires agissant sur le comportement des actionneurs pneumatiques. Cette commande, assurant le suivi d'une consigne de position et une modification de la raideur en temps réel à partir d'une stratégie de réglage de gain, a été testée à la fois en simulation et sur le prototype du BirthSIM. Les performances de cette commande sont également comparées à celles de lois de commande plus classiquement utilisées en robotique. / The childbirth simulators are developed for practitioner training in gynecology and obstetrics. The BirthSIM is a haptic interface which simulates various childbirth scenarios to teach obstetricians and midwives the technical delivery gestures. In this work, the latest improvements on the BirthSIM prototype will be presented. Two improvements are especially detailed. The first one consists in adding actuated degrees of freedom to the haptic interface. Thus, the works which have led to a new four degrees of freedom robot are presented. The BirthSIM is the only childbirth simulator which is actuated by electrical and pneumatic actuators. The aim of the second improvement is to synthesize control laws which improve the haptic rendering. The studied control laws allow the haptic interface to be controlled in position and its stiffness to be tuned in real time. This cartesian stiffness tuning is suitable to reproduce the behavior of the fetal head surrounded by the maternal pelvic muscles. The control law presented in this document have been obtained by the non-linear backstepping synthesis. Indeed, the non-linear phenomenons occurring in pneumatic cylinders can be taken into account by this method. The controller obtained in this work allows the BirthSIM end-effector to track a reference position but also allows the robot stiffness to be tuned in real time. The stiffness control is based on a gain tuning strategy. Finally, the performances have been evaluated in simulation and experimental tests. Those performances have also been compared to the other conventional compliant controllers of the robotic field.

Dans le secteur médical tout particulièrement, la qualité du geste est primordiale et les professionnels doivent être formés par la pratique pour acquérir un niveau de compétences compatible avec l'exercice de leur métier. Depuis une dizaine d'année, les simulateurs informatiques aident les apprenants dans de nombreux apprentissages mais ils doivent encore être associés à des travaux pratiques sur mannequins, animaux ou cadavres, qui pourtant n'offrent pas toujours suffisamment de réalisme par rapport aux vrais patients, et sont coûteux à l'usage. Aussi, leur formation s'achève généralement sur de vrais patients, ce qui présente des risques. Les simulateurs haptiques (fournissant une sensation d'effort) deviennent aujourd'hui une solution plus appropriée car ils peuvent reproduire des efforts résistant réalistes et proposer une infinité de cas d'étude pré-enregistrés. Cependant, apprendre seul sur un simulateur n'est pas toujours aussi efficace qu'un apprentissage "à quatre mains" (celles de l'instructeur et de l'apprenant manipulant les mêmes outils en coopération). Cette étude propose donc un système haptique de formation pratique à deux utilisateurs : l'instructeur et l'apprenant, interagissant chacun à travers leur propre interface haptique. Ils collaborent ainsi, avec des outils et un environnement de travail soit réels (l'outil est manipulé par un robot) soit virtuels. Une approche énergétique, faisant appel notamment à la modélisation par port-Hamiltonien, a été utilisée pour garantir la stabilité et la robustesse du système. Une étude comparative (en simulation) avec deux autres systèmes haptiques multi utilisateurs a montré l'intérêt de ce nouveau système pour la formation pratique. Il a été développé et validé expérimentalement sur des interfaces à un seul degré de liberté. Son extension à six degrés de liberté est facilitée par les choix de modélisation. Afin de pouvoir utiliser le système quand les deux protagonistes sont éloignés, cette étude propose des pistes d'amélioration qui ne sont pas encore optimisées. / More particularly in the medical field, gesture quality is primordial. Professionals have to follow hands-on trainings to acquire a sufficient level of skills in the call of duty. For a decade, computer based simulators have helped the learners in numerous learnings, but these simulations still have to be associated with hands-on trainings on manikins, animals or cadavers, even if they do not always provide a sufficient level of realism and they are costly in the long term. Therefore, their training period has to finish on real patients, which is risky. Haptic simulators (furnishing an effort feeling) are becoming a more appropriated solution as they can reproduce realist efforts applied by organs onto the tools and they can provide countless prerecorded use cases. However, learning alone on a simulator is not always efficient compared to a fellowship training (or supervised training) where the instructor and the trainee manipulate together the same tools. Thus, this study introduces an haptic system for supervised hands-on training: the instructor and the trainee interoperate through their own haptic interface. They collaborate either with a real tool dived into a real environment (the tool is handled by a robotic arm), or with a virtual tool/environment. An energetic approach, using in particular the port-Hamiltonian modeling, has been used to ensure the stability and the robustness of the system. This system has been designed and validated experimentally on a one degree of freedom haptic interface. A comparative study with two other dual-user haptic systems (in simulation) showed the interest of this new architecture for hands-on training. In order to use this system when both users are away from each other, this study proposes some enhancements to cope with constant communication time delays, but they are not optimized yet.

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5). / Atherosclerosis is a disease caused by the accumulation of lipid deposits inducing the remodeling and hardening of the vessel wall, which leads to a progressive narrowing of arteries. These lesions are generally located on the coronary, carotid, aortic, renal, digestive and peripheral arteries. With regards to peripheral vessels, lower limb arteries are frequently affected. The severity of arterial lesions are evaluated by the stenosis degree (reduction > 50.0 % of the lumen diameter) using angiography, magnetic resonance angiography (MRA), computed tomography (CT) and ultrasound (US). However, to plan a surgical therapeutic intervention, a 3D arterial geometric representation is notably preferable. Imaging methods such as MRA and CT are very efficient to generate a three-dimensional imaging of good quality even though their use is expensive and invasive for patients. 3D-ultrasound can be perceived as a promising avenue in imaging for the location and the quantification of stenoses. This non invasive, non allergic (i.e, nephrotoxic contrast agent) and non-radioactive imaging modality offers distinct advantages in convenience, low cost and also multiple diagnostic options to quantify blood flow in Doppler. Since medical robots already have been used with success in surgery and orthopedics, our team has conceived a new medical 3D-US robotic imaging system to localize and quantify arterial stenoses in lower limb vessels. With this new technology, a clinician manually teaches the robotic arm the scanning path. Then, the robotic arm repeats with high precision the taught trajectory and controls simultaneously the ultrasound image acquisition process at even sampling and preserves safely the force applied by the US probe. Consequently, the reconstruction of a lower limb arterial geometry in 3D with this system could allow the location and quantification of stenoses with high accuracy. The objective of this research project consisted in validating and optimizing this 3D-ultrasound imaging robotic system. The reliability of a 3D reconstructed geometry obtained with 2D-US images captured with a robotic system depends considerably on the positioning accuracy and the calibration procedure. Thus, the positioning accuracy of the robotic arm was evaluated in the workspace with a lower limb-mimicking phantom design (article 1 - chapter 3). In addition, a Z-phantom was designed to assure a precise calibration of the robotic system. These optimal methods were used to validate the system for the clinical application and to find the transformation which converts image coordinates of a 2D-ultrasound image into the robotic arm referential. From these results, all objects scanned by the robotic system can be adequately reconstructed in 3D. Multimodal imaging vascular phantoms of lower limb arteries were used to evaluate the accuracy of the 3D representations (article 2 - chapter 4, article 3 - chapter 5). The validation of the reconstructed geometry with this system was performed by comparing surface points with the manufacturing vascular phantom file surface points. The accuracy to localize and quantify stenoses with the 3D-ultrasound robotic imaging system was also determined. These same evaluations were analyzed in vivo to perceive the feasibility of the study.

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain. / Locating and quantifying stenosis length and severity are essential for planning adequate treatment of peripheral arterial disease (PAD). To do this, clinicians use imaging methods such as ultrasound (US), Magnetic Resonance Angiography (MRA) and Computed Tomography Angiography (CTA). However, US examination cannot provide maps of entire lower limb arteries in 3D, MRA is expensive and invasive, CTA is ionizing and also invasive. We propose a new 3D-US robotic system with B-mode images, which is non-ionizing, non-invasive, and is able to track and reconstruct in 3D the superficial femoral artery from the iliac down to the popliteal artery, in real time. In vitro, 3D-US reconstruction was evaluated for simple and complex geometries phantoms in comparison with their computer-aided-design (CAD) file in terms of lengths, cross sectional areas and stenosis severity. In addition, for the phantom with a complex geometry, an evaluation was realized using Hausdorff distance, cross-sectional area and stenosis severity in comparison with 3D reconstruction with CTA. A mean Hausdorff distance of 0.97± 0.46 mm was found for 3D-US compared to 3D-CTA vessel representations. In vitro investigation to evaluate stenosis severity when compared with the original phantom CAD file showed that 3D-US reconstruction, with 3%-6% error, is better than 3D-CTA reconstruction, with 4-13% error. The in vivo system’s feasibility to reconstruct a normal femoral artery segment of a volunteer was also investigated. All of these promising results show that our ultrasound robotic system is able to track automatically the vessel and reconstruct it in 3D as well as CTA. Clinically, our system will allow firstly to the radiologist to have 3D images readily interpretable and secondly, to avoid radiation and contrast agent for patients.