Dans cette thèse, nous présentons différentes approches pour le calcul, en temps-réel, de la déformation de modèles anatomiques volumiques. Une des applications principales de ce type de modèles concerne la simulation de chirurgie laparoscopique. Cette technique chirurgicale récente, et en permanente évolution, nécessite une formation accrue. Dans ce cadre, l'utilisation d'un simulateur présente de multiples avantages : polyvalence, fréquences d'entraînement élevées, outils d'évaluation, simulation de cas pathologiques rares, etc. La première partie de cette thèse concerne la modélisation du comportement déformable des tissus mous, en prenant en compte les aspects biomécaniques ainsi que les contraintes de temps de calcul. Le premier modèle que nous proposons est basé sur une modélisation par éléments finis d'un solide élastique linéaire. Le calcul, en temps-réel, de la déformation repose sur des combinaisons linéaires de déformation élémentaires obtenues lors d'une étape de pré-calcul. Afin de prendre en compte, dans la déformation, d'éventuelles modifications topologiques du maillage - pouvant représenter, par exemple, l'incision de tissus mous - nous avons proposé un second modèle, appelé "masses/tenseurs". Enfin, nous proposons une formulation originale, appelée "modèle hybride", permettant de combiner, dans une même représentation, les deux modèles déformables précédents. Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes liés à l'utilisation de systèmes à retour d'effort pour les interactions avec un modèle déformable. Nous proposons ainsi une architecture matérielle intégrant les différents modules assurant le calcul des déformations, des forces, le contrôle des systèmes à retour d'effort, la détection de collision, l'affichage graphique, etc. Un premier prototype du simulateur, réalisé sur la base de cette architecture et incluant deux systèmes à retour d'effort, a permis de valider l'ensemble des algorithmes. Finalement, nous proposons en annexe une étude relative à une nouvelle technique de reconstruction faciale. En utilisant différents outils d'analyse et de traitement d'images médicales, nous avons réalisé une série d'expériences visant à retrouver une approximation du visage d'une personne à partir de la seule donnée de son crâne et d'un ensemble réduit de paramètres.

La prise en compte de l'équilibre postural global lors de la prise en charge de certaines pathologies rachidiennes peut permettre d'éviter certaines complications biomécaniques. D'autre part, le système EOS™ (EOS™ imaging, Paris) permet l'analyse globale personnalisée de la géométrie du squelette en trois dimensions. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la prise en charge des pathologies rachidiennes en tirant parti des fonctionnalités de cette nouvelle modalité. Dans un premier temps, les outils, méthodes et protocoles nécessaires à une telle évaluation ont été mis en place et validés. Ce dispositif a ainsi permis d'évaluer de manière quantitative la posture par rapport à la ligne de gravité sur 93 patients en routine clinique et de la comparer à celle de 23 sujets sains. Cette première approche a ainsi permis de définir de nouveaux critères pour l'analyse de l'équilibre postural tridimensionnel en routine clinique. L'analyse de l'équilibre chez 25 patients souffrant de sévères troubles posturaux a ensuite permis de proposer un modèle estimant la version pelvienne postopératoire suite à la correction de la courbure rachidienne au moyen d'ostéotomies vertébrales. Une assistance à la décision a été enfin proposée sous la forme d'une méthode de planification chirurgicale de ces interventions. Cette méthode utilise ce modèle de stratégie posturale pour prédire le résultat postopératoire de l'intervention à partir de la configuration géométrique préopératoire du patient et des gestes prévus. Ces travaux ont ainsi confirmé l'intérêt de l'analyse tridimensionnelle globale et proposé des méthodes permettant la prise en compte de ces aspects en routine clinique tout au long de la prise en charge thérapeutique des patients.

Mémoire d'orthophonie : Médecine : Nancy 1 : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Le but principal de cette thèse de doctorat est de concevoir un système de chirurgie assistée par la connaissance. Cette connaissance est extraite de l'information issue des données et du contexte capturés en salle d'opération. Ce contexte est défini à l'aide d'un modèle de processus opératoire (surgical workflow - SWf). L'assistance porte sur la capture des modèles, l'automatisation de tâches ou encore la gestion des erreurs et des imprévus.<p><p>The main goal of this PhD thesis is to design a computer assisted surgery system based on surgical workflow (SWf) modeling, and intra-operative data and metadata acquired during the operation. For the SWf modeling, workflow-mining techniques will be developed based on dynamic learning and incremental inference. An ontology will be used to describe the various steps of the surgery and their attributes. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La chirurgie robotisée a été développée pour pallier les difficultés de la chirurgie laparoscopique. Le robot da Vinci (Intuitive Surgical) est largement répandu dans les hôpitaux nord-américains et européens pour la chirurgie abdominale. Basé sur de la téléopération, il améliore la dextérité et la précision des opérations en chirurgie mini-invasive. Cependant, des recommandations incomplètes et des défauts ergonomiques du système, pour positionner les bras du robot à la surface l’abdomen du patient avant l’opération, créent un des principaux problèmes de la chirurgie robotisée : des organes inatteignables ou des collisions entre les instruments pendant l’opération. L’objectif de ces travaux de recherche est de proposer une nouvelle méthode de placement des bras du robot basée sur une assistance opératoire numérique utilisant l’analyse d’images médicales du patient et la modélisation 3D de la surface de son abdomen afin de calculer des positions des bras optimales en fonction des caractéristiques du robot, de la position des organes et du type de chirurgie. / Robot-assisted surgery, or “robotic”surgery, has been developed to address thedifficulties with the traditional laparoscopicsurgery. The da Vinci (Intuitive Surgical, CA andUSA) is one of the FDA-approved surgical robotic system which is widely used in the case of abdominal surgeries like hysterectomy and cholecystectomy. The technology includes a system of master and slave tele-manipulators that enhances manipulation precision. However, inadequate guidelines and lack of a human machine interface system for planning the ports on the abdomen surface are some of the main issues with robotic surgery. Unreachable target and mid-surgery collisions between robotic arms are the major problems that surgeons complain about in robotic surgery. The objective of this research is to design a new decision-support tool for planning port placement in robotic surgery. The decision support system will be able to determine the optimal location of the entrance ports on the abdomen surface that is specific to the patient.

Ce travail reprend les études d’évaluation d’une plateforme instrumentale dédiée à la chirurgie mitrale mini-invasive vidéo-assistée, et du télémanipulateur Da Vinci pour la réalisation d’anastomose mammaire interne / IVA à thorax fermé.) Evaluation du Portaclamp. Cette étude clinique a porté sur 20 patients opérés de chirurgie cardiaque sous CEC et a confirmé la simplicité d’utilisation du système, son efficacité et l’absence de morbidité ou complication induite. L’étude chez le porc des effets histologiques sur la paroi de l’aorte des trois clamps (l’endo-clamp, le clamp Chitwood et le Portaclamp) a révélé une atteinte majeure de l’endothélium aortique induite par l’endo-clamp . 2) Evaluation du Portapleg. Le Portapleg est un dispositif auto-suturant de cardioplégie antérograde constitué d’un clip en Nitinol restant implanté sur l’aorte. Une étude sur 20 patients a été rapportée avec comme critère principal le temps de saignement du site de ponction après injection de protamine. Le système a montré son efficacité hémostatique dans tous les cas sans événement secondaire. 3) Evaluation du Mitrax’s. C’est un cône en plastique polymère auto ajustable et auto expansible, qui repousse de façon symétrique et concentrique les parois de l’oreillette. Une étude prospective de son efficacité a été réalisée chez 62 patients opérés de chirurgie mitrale vidéo-assistée de façon consécutive. L’indice de satisfaction a été en moyenne 4.6, témoin d’une exposition optimale de la valve mitrale avec une vision endoscopique ou directe de la valve mitrale jugée excellente. 4) Analyse comparative des techniques mini-invasives de revascularisation de l’IVA par pontage mammaire (Port Access, MIDCAB, TECAB). Cette étude prospective a porté sur 160 patients ; à trois mois, le taux de réintervention sur l’IVA était : PA-CABG, 0% ; MIDCAB, 1.8% ; TECAB, 10% ; p<0.01. A trois ans, les taux actuariels de survie sans réintervention étaient : PA-CABG, 100% ; MIDCAB, 98±5 % ; TECAB, 88±8 % ; p<0.05. / This thesis is based on the evaluation studies of an instrumental platform dedicated to video assisted minimally invasive mitral valve surgery, and of the robotic Da Vinci system in LAD bypass with mammary artery in a closed chest approach. 1) Evaluation of Portaclamp. In 20 patients who underwent cardiac surgery with Portaclamp, a clinical study showed that the clamping system is safe, fast and easy and does not generate undue morbidity. In a pig model, severe lesions of the intima were observed on the clamping spot with the endoclamp, in comparison with Portaclamp and Chitwood clamp. 2) Evaluation of Portapleg. Portapleg is an auto-suturing system dedicated to antegrade cardioplegia delivery, and based on a Nitinol clip left implanted on the aorta. In 20 patients, the closure of the puncture aortic hole and the haemostasis after protamine were obtained in all cases. The procedure did not generate undue morbidity and there was no device-related adverse event. 3) Evaluation of Mitrax’s. The Mitrax’s retractor is a pattern cut polymer sheet, self-expanding and auto-adjusting. The effectiveness of Mitrax’s was evaluated in 62 patients who consecutively underwent a video-assisted mitral valve procedure. The global satisfaction index was 4.6±0.5, demonstrating the effectiveness of the device which provides optimal exposure and excellent direct vision. 4) Comparative analysis of minimally invasive techniques for LAD revascularization with mammary artery graft (Port Access, MIDCAB, TECAB). In a prospective study, 160 patients were included. At 3-month postoperatively, the end-point of LAD reintervention were PA-CABG, 0%; MIDCAB, 1.8%; TECAB, 10%; p=0.01. At 3-year, reintervention-free survival was significantly lower in the TECAB group: PA-CABG, 100% ; MIDCAB, 98±5 % ; TECAB, 88±8 % ; p<0.05.

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La robotique chirurgicale vise à rendre les gestes du chirurgien plus précis et moins invasifs. La complexité d'une salle d'opération conduit à rechercher des dispositifs robotiques aussi compacts que possible et pouvant être facilement stérilisés. Une conception robotique basée sur l'emploi de mécanismes compliants à structures monolithiques et d'actionneurs piézoélectriques est particulièrement intéressante sur ce point. Des travaux précédents conduits au laboratoire ont permis de proposer un dispositif robotique pour le pontage coronarien qui facilite la réalisation des gestes minimalement invasifs sur cœur battant. Ce dispositif répond au besoin médical mais manque aujourd'hui de la compacité souhaitée pour une intégration optimale. À partir du cas d'application où nous cherchons à réduire la taille du dispositif de compensation, nous nous intéressons, dans cette thèse, aux problématiques de conception de mécanismes compliants à fortes contraintes d'intégration. Nous étudions d'abord la possibilité d'intégrer le dispositif de compensation directement dans la tige du stabilisateur cardiaque passif. Puis, nous étudions la possibilité de réduire la taille du dispositif de compensation en amont, en explorant les possibilités de réaliser des mécanismes dans un plan. Nous avons notamment proposé une méthode originale de conception de mécanismes compliants plans à partir de l'analyse des singularités de mécanismes à architectures parallèles en configuration plane. Afin d'optimiser les différents mécanismes très contraints par les volumes imposés, une méthode originale d'optimisation à base d'un algorithme de colonie de fourmis est employée.

Cette thèse consiste à explorer une nouvelle approche pour la simulation d'objets flexibles par la mécanique des milieux continus, dans le cadre d'applications graphiques interactives telles que le jeu vidéo ou l'entraînement aux gestes chirurgicaux. Elle s'inscrit en continuité d'un stage de M2-R sur ce même sujet. Il est important de pouvoir régler simplement un compromis entre précision et temps de calcul suivant la nature de l'application. Les approches actuelles de simulation utilisent principalement la méthode des éléments finis. Celle-ci repose sur un maillage volumique des objets qu'il est souvent difficile d'adapter dynamiquement aux besoins de l'application. La nouveauté introduite par cette thèse est d'utiliser des repères déformables comme primitives cinématiques, avec des champs de déplacements inspirés des méthodes de 'skinning' utilisées en informatique graphique. Le but est d'éviter ainsi les difficultés liées au maillage volumique, ainsi que de faciliter le raffinement et la simplification adaptatives par simple ajout ou suppression de repère déformable là où c'est souhaitable. Ce travail est financé par le projet européen 'Passport for Virtual Surgery', dont le but est de créer automatiquement des modèles physiques pour l'entraînement aux gestes de chirurgie hépatique, à partir de données médicales et anatomiques personnalisées. Dans ce contexte, Guillaume, en collaboration avec d'autres membres du projet, mettra en place les outils nécessaires pour construire la scène physique à partir d'images médicales segmentées et de connaissances anatomiques génériques. Le foie sera dans un premier temps représenté par des modèles physiques précédemment développés à EVASION et étendus aux opérations de découpe. Par la suite, il y appliquera son nouveau modèle mécanique basé sur des repères déformables. The aim of this thesis is to develop a new approach for the simulation of flexible objects based on the continous middle method, related with interactive graphics applications such as video games or training in surgery. It is a continuity of the M2 research internship on the same topic. It is important to simply settle a compromise between accuracy and time computing according to the application. Current simulation approaches mainly use the finite element method, which is based on a volumetric mesh of the simulated objects. It is often difficult to dynamically adapt the needs to the application. The novelty of this thesis is to use deformable reference frames as kinematic primitives, with displacement fields based on 'skinning' methods used in computer graphics. The aim is to avoid the difficulties associated with volumetric mesh, and make the refinement and the adaptive simplification easier by adding or deleting deformable reference frames if necessary. This work is funded by the European project 'Passport for Virtual Surgery', which aims to automatically create models for physical training in gestures of liver surgery, from medical and anatomical custom data. In this context, Guillaume, in collaboration with other members of the project, will develop the tools necessary to build the physical scene from segmented medical images and generic anatomical knowledge. The liver will initially be represented by physical models previously developed in the EVASION team and then extended to cutting operations. Thereafter, Guillaume will apply his new mechanical model based on deformable reference frames.

Objectif et problématique : Le transsexualisme ainsi que son traitement par la transformation hormonale et chirurgicale (THC) sont des phénomènes au carrefour de toutes les limites : corps, subjectivité, société, psyché… Face au constat de cette complexité, partant des approches structurale et déconstructiviste, cette thèse a pour objectif de définir et proposer une nouvelle approche « transversale » du transsexualisme, et dans la continuité de celle-ci de l’identité sexuée, avec les éléments de la théorie psychanalytique que sont la pulsion sexuelle de mort, la troisième topique de l’Inconscient clivé, la réalisation pulsionnelle par la perception et la clinique de l’extrême et de l’ordinaire.Matériel et méthode : Sur un échantillon de six sujets transsexuels masculin vers féminin ayant actuellement recours ou ayant eu recours à la THC depuis plus de deux ans, nous avons analysé les résultats à un entretien clinique inspiré de l’approche structurale, aux tests projectifs du rorschach et du TAT selon l’école projectiviste de Paris Descartes, ainsi qu’au MMPI-2. Nos trois hypothèses sont que la problématique identitaire transsexuelle renverrait à la pulsion sexuelle de mort, à l’Inconscient amential et à la clinique de l’extrême, puis que la THC aurait le potentiel d’agir telle une réalisation pulsionnelle par la perception.Résultats : Les résultats valident les deux premières hypothèses sur la pulsion sexuelle, l’Inconscient amential et la clinique de l’extrême, mais pas celle sur la réalisation pulsionnelle par la perception.Conclusion et discussion : Ces résultats montrent l’intérêt d’une approche transversale pour appréhender un phénomène limite comme le sont le transsexualisme et l’identité sexuée qui se voient éclairés par les éléments théoriques transversaux proposés (pulsion sexuelle de mort, Inconscient amential et clinique de l’extrême). Concernant, les effets de la THC au niveau psychique, il semble nécessaire de poursuivre notre investigation, la réalisation pulsionnelle par la perception ayant été validée chez un de nos deux sujets ayant terminé la THC depuis plus de deux ans, mais exclue chez l’autre. / Objective and problematic: the transsexualism as well as its treatment by the hormonal and surgical sex reassignment are phenomena in the crossroads of all the limits: body, subjectivity, society, psyche … In front of this complexity, running with the approaches structural and deconstructivist, this thesis has for objective to define and to propose a new "transversal" approach of the transsexualism, and in the continuity of this one of the sexed identity, with the elements of the psychoanalytical theory that are the sexual death drive, the third topical of the splited Unconscious, the impulsive realization by the perception and the clinical of the extreme and the ordinary.Material(Equipment) and method: on sample of six subjects transsexuals male to female resorting at present or having resorted to the sex reassignment for more than two years, we analyzed the results in a clinical interview inspired by the structural approach, in the projective tests of the rorschach and the TAT according to the projectivist method of Paris Descartes, as well as in the MMPI-2. Our three hypotheses are that the transsexual identity problematic would send back to the sexual death drive, to the amential Unconscious and to the clinical of the extreme, then that the sex reassignment would have the potential to act such as an impulsive realization by the perception.Results: the results validate both first ones hypothesis on the sex drive, the amential Unconscious and the clinical of the extreme, but not that one on the impulsive realization by the perception.Conclusion and discussion: these results show the interest of a transversal approach to dread a phenomenon borderline as are it the transsexualism and the sexed identity which see each other lit by the transversal theoretical proposed elements (sexual death drive, amential Unconscious and private hospital of the extreme). Concerning, the effects of psychic sex reassignment at the level, it seems necessary to pursue our investigation, the impulsive realization by the perception has been validated to one of our subject but excluded to the other one.