Thèse d'exercice : Médecine. Radiodiagnostic et imagerie médicale : Université de Nantes : 2004.

Thèse doctorat : Images et Systèmes : Villeurbanne, INSA : 2003. / Le chapitre 4 intitulé "Caractérisation du Cryogel pour l'élastographie sonore" est rédigé en anglais. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 117-126. Publications de l'auteur p. 127-128.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2003. / Titre de l'écran-titre (visionné le 29 novembre 2004). Bibliogr.

La radiologie interventionnelle est une technique chirurgicale minimallement invasive qui permet d'atteindre des organes à traiter avec des aiguilles, guidées à partir d'images scanner. Bien que cette technique offre de nombreux avantages, l'exposition aux rayons X qu'elle occasionne est nocive pour le radiologue. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un système de téléopération avec retour d'efforts. Son cahier des charges a été établi à partir d'expériences in-vivo, qui ont notamment conduit à la modélisation des forces lors d'une insertion. Le système développé répond aux contraintes liées à l'utilisation des rayons X et aux besoins des praticiens. Une étude approfondies a permis de déterminer la commande bilatérale la mieux adaptée à l'application. Pour améliorer la perception des efforts, deux approches ont été étudiées. La première est une synthèse automatique de la commande en effort côté maître. La seconde vise à accroître la sensation de passage entre les tissus.

Le domaine médical voit apparaître depuis peu des simulateurs pédagogiques, à l'instar de ce qui existe depuis quelques années dans d'autres domaines (aviation, auto-école). En effet, la formation actuelle des chirurgiens se fait à la fois sur des cadavres (ce qui entraîne des difficultés grandissantes et des coûts élevés) et par compagnonnage (avec des chirurgiens expérimentés). Une forte demande est exprimée pour des simulateurs chirurgicaux pédagogiques, surtout dans le domaine de la chirurgie mini-invasive, avec une prise en compte des gestes et des sensations tactiles. Ce travail de thèse, réalisé au Centre de Robotique (CAOR) de l'Ecole des Mines de Paris, couvre deux problématiques importantes pour la réalisation d'un simulateur chirurgical pédagogique : la modélisation temps réel des tissus mous et la réalisation d'un système haptique dédié à la chirurgie virtuelle. Nous nous intéressons à la modélisation temps réel des organes déformables, nous mettons en oeuvre une méthode physique, qui offre la possibilité de paramétrer le modèle à partir de mesures expérimentales, et de construire une solution générique applicable à une grande variété de matériaux. Il s'agit d'une approche issue de la Mécanique des Milieux Continus ; c'est une synthèse entre deux présentations répandues : les massesressorts et les masses tenseurs. Elle se base sur le modèle des matériaux de Saint Venant Kirchhoff qui correspondent à une classe de matériaux hyperélastiques. Une fois modélisé, l'organe virtuel doit interagir avec l'environnement, il s'agit de la détection des collisions (avec les outils) ou auto-collisions (l'organe se plie sur lui-même) ainsi que la gestion de ces collisions. Nous traitons aussi la découpe que peut subir un organe pendant l'opération. Nous présenterons aussi nos travaux de conception et de réalisation du système de retour d'effort dédié à la chirurgie, le « trocart actif ». Notre système présente un avantage majeur sur l'existant, il peut être utilisé pour une grande variété d'opérations chirurgicales endoscopiques. Il s'agit de l'instrumentation du trocart, outil indispensable pour la chirurgie mini-invasive afin d'assurer au maximum que les outils de chirurgie ne heurtent pas la peau à l'endroit de l'incision. Nous l'appelons « trocart actif ». Nous avons optimisé la conception de ce trocart afin de permettre l'utilisation de plusieurs trocarts actifs dans la même opération de chirurgie virtuelle et évidemment afin d'assurer le bon fonctionnement d'un système haptique pour garantir un bon rendement tactile. Avec ce système nous n'imposons pas le choix de l'outil chirurgical au jeune chirurgien. Celui-ci aura le choix de l'outil chirurgical au cours de l'opération.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2005. / Bibliogr.: f. [65]-66. Publié aussi en version électronique.

Ce travail présente une méthodologie efficace pour mesurer le champ de déformation total en 3-D des tissus mous semi-transparents et diffusant la lumière, tels que la cornée de l'œil vertébré. Cela a été obtenu en utilisant la tomographie par cohérence optique couplée avec la corrélation volumique numérique sur des fantômes en caoutchouc de silicone et de la cornée porcine. Des tests de traction et des tests d'inflation postérieure ont été étudiés. Avant ces tests, l'effet du bruit et la décorrélation des speckles due à la déformation sont d'abord étudiés en utilisant des méthodes expérimentales et numériques. Le biais d'interpolation dans les résultats de déformation a été analysé. Deux approches efficaces ont été prises pour réduire le biais d'interpolation. Pour extraire les paramètres constitutifs des mesures de déformation 3-D, la méthode des champs virtuels a été étendue en 3-D. Les champs virtuels définis manuellement et les champs virtuels optimisés par morceaux ont été développés et comparés entre eux. Des efforts ont également été déployés pour corriger les distorsions induites par réfraction dans les reconstructions de la tomographie par cohérence optique. Des tests d'inclinaison des différents fantômes de silicone ont été introduits afin d’évaluer la performance de la méthode pour corriger les reconstructions distordues / This work presents an effective methodology for measuring the depth-resolved 3-D full-field deformation of semitransparent, light scattering soft tissues such as vertebrate eye cornea. This was obtained by performing digital volume correlation on optical coherence tomography volume reconstructions of silicone rubber phantoms and porcine cornea samples. Both the strip tensile tests and the posterior inflation tests have been studied. Prior to these tests, noise effect and strain induced speckle decorrelation were first studied using experimental and simulation methods. The interpolation bias in the strain results has also been analyzed. Two effective approaches have been introduced to reduce the interpolation bias. To extract material constitutive parameters from the 3-D full-field deformation measurements, the virtual fields method has been extended into 3-D. Both manually defined virtual fields and the optimized piecewise virtual fields have been developed and compared with each other. Efforts have also been made in developing a method to correct the refraction induced distortions in the optical coherence tomography reconstructions. Tilt tests of different silicone rubber phantoms have been implemented to evaluate the performance of the refraction correction method in correcting the distorted reconstructions

OBJECTIFS : L’objectif de cette étude était de déterminer les changements verticaux et horizontaux des tissus mous par rapport aux changements des tissus durs après une génioplastie fonctionnelle isolée, l'effet de l'âge sur ces changements et de revoir le remodelage des tissus durs au niveau de la symphyse. MÉTHODES : 75 patients ayant subi une génioplastie fonctionnelle comme seule intervention chirurgicale ont été suivis pendant un minimum de 2 ans avec une téléradiographie de profil pris avant la chirurgie (T1), immédiatement après la chirurgie (T2) et 2 ans après la génioplastie (T3). Ces patients ont été regroupés par groupe d'âge (gr 1 : <15 ans, gr 2 : 15-19 ans, gr 3 : >19 ans). RÉSULTATS : Le modèle prédictif a révélé que le changement horizontal des tissus mous peut être prédit avec plus de précision horizontalement que verticalement. Les changements verticaux des tissus mous ont présenté une prédictibilité moindre, comme le montre l'équation de prédiction du groupe 3 et un coefficient de détermination de 48 %. Le pogonion de tissu dur a montré un changement net horizontal de 6,39 mm (IC95% 5,68 ; 7,10) tandis que le tissu mou a montré un changement net de 6,72 mm (IC95% 5,89 ; 7,54). Verticalement, le changement net du tissu dur au niveau du menton pour les femmes qui ne grandissent pas a montré une réduction nette de 1,63 (IC95% -3,37 ; 0,11) tandis que les hommes ont montré une réduction nette de 3,89 mm (IC95% -5,83 ; -1,95). La réduction verticale des tissus mous était similaire pour les hommes et les femmes qui ne grandissent pas, soit 1,7 mm (IC95% -2,96 : -0,45). CONCLUSION : Pour les patients qui ne grandissent pas, le changement horizontal des tissus durs était stable, et le changement des tissus mous représentait 92% des changements des tissus durs. Verticalement, le changement des tissus mous était moins prévisible. Des équations de prédiction ont été calculées. Les variations d'épaisseur des tissus mous après une génioplastie dans les deux directions peuvent être expliquées par l'obtention d'une occlusion labiale non forcée. Ces résultats confirment le bénéfice fonctionnel et esthétique de cette chirurgie. / OBJECTIVES: The aim of this study was to determine the vertical and horizontal soft tissue change versus hard tissue change following isolated functional genioplasty and to examine hard tissue remodeling at the symphysis. METHODS: 75 patients who underwent a functional genioplasty as an isolated procedure were followed for a minimum of 2 years with cephalograms taken before surgery (T1), immediately after surgery (T2), and 2 years post-surgery (T3). These patients were grouped by age (Gp 1: <15 y.o., Gp 2: 15-19 y.o., Gp 3: >19 y.o.). RESULTS: The predictive model reveals that soft tissue change can be predicted with more precision horizontally than vertically. Hard tissue pogonion showed a net horizontal change of 6.39 mm (CI95% 5.68; 7.10) while soft tissue showed a net change of 6.72 mm (CI95% 5.89; 7.54). Vertically, the hard tissue net change at menton for nongrowing females showed a net reduction of 1.63 (CI95% -3.37; 0.11) while males showed a net reduction of 3,89 mm (CI95% -5.83; -1.95). Soft tissue vertical reduction was similar for non-growing males and females at 1,7 mm (CI95% -2,96: -0,45). CONCLUSION: For non-growing patients, the horizontal hard tissue change was stable, and the soft tissue change is 92% of the hard tissue changes. Vertically, the soft tissue change was less predictable. Prediction equations have been calculated. The soft tissue thickness variations after genioplasty in both directions can be explained by the achievement of an unforced labial occlusion. These results support the functional and aesthetic benefits of this surgery.

Ce travail présente une méthode de calcul rapide de déformations et de forces mécaniques destinée à la simulation d'applications chirurgicales. La simulation de chirurgie vise à offrir aux praticiens des outils leur permettant de pratiquer des entraînements intensifs et de pouvoir planifier avec précision certaines interventions. La conception de tels simulateurs nécessite de disposer de modèles géométriques et mécaniques précis des organes du corps humain, et d'algorithmes de calcul suffisamment rapides pour être capable d'utiliser ces modèles dans des conditions de temps réel. La plupart des simulateurs existants utilisent des modèles mécaniques extrêmement simples, basés sur les lois de l'élasticité linéaire. Or de nombreux résultats de biomécanique indiquent que les tissus biologiques se comportent selon des lois beaucoup plus complexes, incluant des effets non-linéaires et visco-élastiques importants. Pour cette raison, nous avons développé une méthode permettant le calcul rapide de déformations et de forces incluant des effets mécaniques non-linéaires et visco-élastiques. Cette méthode utilise la théorie des éléments finis et a été conçue comme une extension de l'algorithme dit des masses-tenseurs pour l'élasticité linéaire. Son principe consiste à pré-calculer un certain nombre de tenseurs dépendant des caractéristiques géométriques et mécaniques de chaque élément fini, qui sont ensuite combinés dans la phase de simulation proprement dite. Notre modèle non-linéaire ne présage d'aucune forme particulière de loi mécanique, de sorte que la méthode proposée est suffisamment générique pour s'appliquer à une grande variété de comportements et d'objets. Après la description de l'algorithme, de ses performances en terme de temps de calcul et de ses conditions de stabilité numérique, nous démontrons que cette méthode est capable de reproduire avec précision le comportement mécanique d'un tissu biologique mou. Ce travail s'inscrivant plus spécifiquement dans le cadre du développement d'un système de simulation de la cryochirurgie du foie, nous avons étudié expérimentalement les propriétés du foie lors de sa perforation par une aiguille à biopsie. Le modèle de masses-tenseurs non-linéaire et visco-élastique construit à l'aide des paramètres expérimentaux a pu reproduire avec une bonne précision les propriétés observées. / This work presents a method for the fast computation of mechanical deformations and forces for the simulation of surgical applications. Surgery simulation aims at providing physicians with tools allowing extensive training and precise planning of given interventions. The design of such simulation systems requires accurate geometrical and mechanical models of the organs of the human body, as well as fast computation algorithms suitable for real-time conditions. Most existing simulation systems use very simple mechanical models, based on the laws of linear elasticity. Numerous biomechanical results yet indicate that biological tissues exhibit much more complex behaviour, including important non-linear and visco-elastic effects. For this reason, we developed a method allowing the fast computation of mechanical deformations and forces including non-linear and visco-elastic effects. This method uses finite element theory and has been constructed as an extension of the so-called tensor-mass algorithm for linear elasticity. It consists in pre-computing a set of tensors depending on the geometrical and mechanical properties of each finite element, which are later combined in the simulation part itself. Our non-linear model does not assume any particular form of mechanical law, so that the proposed method is generic enough to be applied to a wide variety of behaviours and objects. Following the description of the algorithm, of its performances in terms of computation time, and of its numerical stability conditions, we show that this method allows to reproduce the mechanical behaviour of a biological soft tissue with good precision. As this project is part of a broader effort aiming more specifically at developing a simulation system for liver cryosurgery, we experimentally characterized the properties of liver in perforation by a biopsy needle. The non-linear and visco-elastic tensor-mass model constructed from experimental parameters succeeded in accurately reproducing the observed properties.