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.

L'objectif de cette étude est l'analyse d'une technique chirurgicale de réduction de la déformation scoliotique, au travers des différents outils que sont la reconstruction tridimensionnelle du rachis dans les temps pré et post opératoires et la simulation par la méthode des éléments finis.<br />Un dispositif de stéréoradiographie spécifique a été développé et a permis la reconstruction du rachis d'une vingtaine de patients scoliotiques.<br />Cette modélisation géométrique a été validée en terme d'orientation relative des vertèbres reconstruites et a conduit à une analyse de la déformation du rachis et de sa correction chirurgicale, de manière segmentaire et au cœur même de la " torsion " de la scoliose.<br />Les phénomènes de correction siégeant pendant la chirurgie ont été appréhendés lors de la simulation par éléments finis de deux cas réels, l'un de cyphose et l'autre de scoliose. Cette simulation a été basée sur un modèle global et personnalisé du rachis où le comportement élasto-plastique de l'instrumentation et les conditions aux limites complexes ont été pris en compte (les manœuvres du chirurgien se traduisant par les charges et décharges successives de flexion sur une tige attachée au rachis). Les résultats prédictifs de simulation se sont révélés cohérents, comparés à la reconstruction tridimensionnelle post opératoire.<br />Ces outils d'analyse peuvent constituer une aide au clinicien lors du diagnostic et de la planification de l'opération chirurgicale.

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.

Thèse d'exercice : Médecine. Gynécologie-obstétrique : Paris 12 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. 65 f. : ill. Bibliogr. f. 57-64.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

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.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les résidents en chirurgie passent plus de la moitié de leur formation dans une salle d’opération dans le but d’acquérir les connaissances ainsi que les habiletés techniques nécessaires afin de développer l’autonomie la plus complète possible (Vollmer, Newman, Huang, Irish, Hurst, et Horvath, 2011). Cependant, certaines préoccupations sont éprouvées par ceux-ci face à la capacité d’effectuer certaines procédures de façon indépendante en fin de formation (Yeo, Viola, Berg, Lin, Nunez-Smith, Cammann, Bell, Sosa, Krumholz, Curry, 2009). Bien que les besoins en termes d’acquisition de techniques chirurgicales soient connus, les stratégies de supervision pour y arriver le sont moins. Certaines études ont d’ailleurs démontré une disparité dans la perception de l’enseignement et de la supervision entre les résidents chirurgicaux et les cliniciens enseignants (Levinson, Barlin et al. 2010, Vollmer, Newman et al. 2011, Snyder, Tarpley et al. 2012, Chen, Williams et al. 2014). Les différences entre les résidents chirurgicaux et les chirurgiens-enseignants des universités francophones québécoises dans la perception de la supervision ont donc été étudiées à différents niveaux et selon différentes dimensions pédagogiques, basé sur les modèles d’apprentissage cognitif ainsi que d’acquisition de compétence de Dreyfus & Dreyfus. Trente-quatre résidents et 59 chirurgiens de différents programmes chirurgicaux des universités francophones québécoises ont pris part à un questionnaire validé de type miroir basé sur une échelle de Likert. Les résultats obtenus démontrent une surestimation des chirurgiens quant à leur perception auto-évaluative de la supervision accordée en ce qui a trait à la sphère pré-opératoire. Ainsi, cela nous amène à croire qu’il y aurait potentiellement de lacunes en termes de supervision à ce niveau. / Surgical residents spend more than half of their training in an operating room with the goal of acquiring the knowledge and technical skills necessary to develop the most complete autonomy (Vollmer, Newman, Huang, Irish, Hurst, and Horvath, 2011). However, some residents express concerns about their ability to perform certain procedures independently at the end of their training (Yeo, Viola, Berg, Lin, Nunez-Smith, Cammann, Bell, Sosa, Krumholz, Curry, 2009). While the needs for acquiring surgical techniques are understood, the supervisory strategies for achieving them are less clear. Some studies have demonstrated a disparity in the perception of teaching and supervision between surgical residents and clinical supervisors (Levinson, Barlin et al. 2010, Vollmer, Newman et al. 2011, Snyder, Tarpley et al. 2012, Chen, Williams et al. 2014). Disparity between surgical residents and attendings in perception of surgical supervision was therefore studied at different surgical levels and according to various pedagogical dimensions, based on the cognitive companionship model as well as Dreyfus & Dreyfus’ competence acquisition learning model. Thirty-four residents and 59 surgeons from French affiliated surgical programs of Quebec participated in a validated mirror-type questionnaire based on a Likert scale. The results obtained show an overestimation by surgeons of their self-evaluative perception of the supervision provided in the preoperative sphere. Thus, this leads us to believe that there may potentially be gaps in supervision at this level that would benefit further exploration.

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