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Il existe aujourd'hui de nombreux systèmes robotiques commerciaux pour l'assistance au geste chirurgical. Les interventions d'orthopédie, de neurologie, de chirurgie laparoscopique ou cardiaque peuvent désormais être assistées par des systèmes mécaniques et informatiques. Depuis les premiers robots d'aide au geste chirurgical dérivés des robots industriels, aux robots actuels, l'objectif est de développer des systèmes d'aide aux gestes médicaux et chirurgicaux qui apportent des bénéfices importants au chirurgien et au patient. Dans ce contexte, ce travail de thèse s'intéresse plus particulièrement à l'aide au geste chirurgical en chirurgie mini-invasive robotisée. La problématique abordée est de permettre à un robot chirurgical de compenser mécaniquement les mouvements physiologiques de l'organe ou du tissu opéré, afin de proposer au chirurgien une zone de travail virtuellement immobile. En effet, ces mouvements sont des perturbations pour le chirurgien qui télé-manipule un robot, car il doit les compenser lui-même à chaque fois qu'une tâche précise est requise à la surface d'un organe ou d'un tissu, en les accompagnant manuellement quand c'est possible. Ceci limite aujourd'hui le développement, entre autres, des opérations à coeur battant. L'objectif est de proposer un système de commande qui permette au robot de se déplacer de façon synchronisée avec l'organe et d'accompagner ainsi son mouvement. Ce travail se restreint aux mouvements physiologiques dus à la respiration et aux battements du coeur. Ceux-ci sont périodiques avec une période qui ne varie pas pendant l'intervention. Le principe utilisé pour commander le déplacement du robot est celui de l'asservissement visuel direct rapide, où les images d'une caméra d'observation endoscopique sont traitées en temps réel, avec une cadence d'asservissement jusqu'à 500 images par seconde. Le robot est commandé à l'aide de lois de commande prédictives dans lesquelles des modèles internes simples du robot et des mouvements à filtrer sont inclus. Les développements présentés dans cette thèse sont illustrés par deux ensembles de résultats, pour la compensation des mouvements respiratoires du foie d'une part, et le suivi du coeur battant d'autre part. Des dispositifs expérimentaux ont été mis en place autour d'un robot médical Aesop (Computer Motion, USA) et un prototype de robot chirurgical de la société Sinters de Toulouse. Des expériences de laboratoire et des tests in vivo en conditions chirurgicales réelles ont été réalisés.

Les travaux de recherche présentés pour l'habilitation à diriger des recherches, visent à proposer de nouveaux outils pour simuler des interventions médicales et chirurgicales. Ces outils ont plusieurs applications dont l'amélioration de la formation des praticiens, la planification d'interventions pour la préparation et la validation d'une thérapie ou encore l'assistance au geste médical durant une intervention. Or, pour simuler ces interventions de manière réaliste voire prédictive, il faut tenir compte de la déformation des structures anatomiques et des interactions mécaniques entre les outils et les organes. En même temps, la simulation doit être interactive et calculée en temps-réel pour garder le geste du praticien dans la boucle de la simulation. Le défi majeur de notre travail est donc de garantir un calcul précis au niveau de la simulation tout en gardant un temps de calcul très court, qui soit compatible avec le temps-réel. D'abord, nous proposons une formulation optimisée de la méthode par éléments finis (FEM) et de nouveaux outils numériques (pré-conditionneurs, couplage entre modèles...) dédiés à au calcul FEM temps-réel. Cette approche est utilisée pour calculer la biomécanique des déformations des tissus anatomiques et les instruments flexibles. Nous abordons ensuite un autre point clé de ces simulations que sont les conditions aux limites. Les interactions mécaniques entre organes et/ou entre les outils chirurgicaux et les tissus sont souvent complexes à modéliser. Or, une mauvaise prise en compte de ces interactions peut aboutir à des erreurs importantes. Notre approche suit les bases de la mécanique non-régulière pour gérer, notamment, le contact et le frottement entre solides. Nous étendons l'approche à d'autres modèles d'interaction (comme l'insertion d'aiguille par exemple). Dans ce contexte, nous mettons l'accent sur le calcul de la compliance des structures en temps-réel. Par ailleurs, pour certaines interventions où le retour visuel n'est pas parfait, le praticien se guide aussi avec le sens du toucher. Il est donc important de reproduire au moins partiellement cette sensation - dite haptique - avec des interfaces à retour d'effort, pilotée à partir des données de la simulation. Dans ce domaine, nous proposons une approche centrée sur le rendu haptique des interactions mécaniques entre outil chirurgical et tissus humain. Cette approche se base notamment sur une désynchronisation du calcul de la boucle de simulation et de la boucle de retour d'effort qui demande un rafraichissement à haute fréquence (1kHz). Finalement, nous présentons ces résultats de recherche sur des exemples concrets d'application et nous présentons les défis à venir pour permettre à la simulation de devenir un outil utilisé par les praticiens à l'avenir. Le manuscrit est en anglais.

Le but de ce travail était la mise en place d’une chaîne méthodologique de planification virtuelle d’une ostéotomie sagittale des branches mandibulaires (OSBM) et son transfert au bloc opératoire. Dans la première partie, les méthodes classiques de planification et de transfert sont exposées. Habituellement réalisées à partir de modèles en plâtre sur articulateur, la planification et la production de guides occlusaux chirurgicaux souffrent d’une imprécision potentiellement à l’origine de troubles fonctionnels temporo-­‐mandibulaires. Le contrôle per-­‐opératoire du condyle mandibulaire lors de l’OSBM est un élément de stabilité squelettique dont dépend la qualité du résultat fonctionnel. Une évaluation des pratiques professionnelles des chirurgiens maxillo-­‐faciaux a été réalisée sur ce point. Une méthode de positionnement condylien utilisant un dispositif, moins fréquemment utilisée que la méthode empirique, est proposée comme présentant le meilleur rapport bénéfice/risque. Cette méthode a été reproduite virtuellement à travers les différents maillons de la chaîne méthodologique. Des techniques innovantes informatisées d’acquisition, de conception et modélisation, et d’impression en 3 dimensions ont été utilisées. Dans la seconde partie, la méthodologie de chacun des maillons de la chaîne a été présentée et évaluée, soit sur sujets cadavériques, soit sur patients. L’objectif était de démontrer la faisabilité de la chaîne. Le maillon « acquisition et extraction de surface » a mis en exergue le problème des artéfacts dus aux matériaux métalliques dentaires ou orthodontiques. Dans 90% des cas le maillage obtenu était satisfaisant, permettant de s’affranchir des modèles en plâtre. Le maillon « planification chirurgicale virtuelle » a montré une valorisation par rapport à la technique classique en terme de prévention des interférences des pièces osseuses déplacées. Le maillon « modélisation et impression du guide chirurgical » a décrit les étapes d’invention d’un guide de positionnement occlusal et condylien (OCPD : occlusal and condylar positionning device). Ses caractéristiques techniques, ses modalités de production par impression 3D ainsi que son utilisation peropératoire, ont été précisées. Enfin le maillon « évaluation de l’OCPD » a permis de montrer la faisabilité de la méthode et l’équivalence clinique, technique et biologique de ce dispositif médical sur mesure par rapport à ceux utilisés dans la méthode classique. Enfin le positionnement condylien obtenu grâce à ce dispositif a été évalué de manière préliminaire et comparé aux données de la littérature. Grâce à l’OCPD, nous avons montré la possibilité de transférer au bloc opératoire la planification virtuelle d’une OSBM contrôlant la position des condyles / The purpose of this work was the implementation of a methodological chain for bilateral sagittal split osteotomy (BSSO) virtual planning and its transfer in the operating room. In the first part of the work, usual methods for planning BSSO are exposed. Usually realized from plaster models on articulator, the planning and the occlusal surgical guides production are at risk of temporo-­‐mandibular functional disorders. The quality of the functional result depends on the correct positioning of the mandibular condyle, considered as a skeletal stability element. An assessment of the maxillofacial surgeons practices was realized regarding intra-­‐operative condyle positioning. Using a condylar positioning device (CPD),less frequently employed than the empirical method, meets an acceptable benefit/risk balance. This method was virtually reproduced through various steps of the methodological chain described. Computerized innovative techniques for three-­‐dimensional acquisition, design and manufacturing were used. In the second part of the work, the methodology of each step of the chain was presented and estimated, either on cadaveric subjects, or on patients. The aim was to demonstrate the feasibility of the whole chain. The “acquisition and surface extraction” step pointed the issue of artefacts due to dental or orthodontic metallic devices. Ninety % of the obtained meshes were satisfactory, allowing not to use plaster models. The “virtual surgical planning” step allowed reproducing the usual method and showed great interest in bone interferences prevention. The “modelling and printing of the surgical guide” step described the stages of occlusal and condylar positioning device (OCPD) invention. Its technical characteristics, its methods of manufacturing by 3D printing, and its intraoperative use were specified. The step “OCPD evaluation” showed the method feasibility and the clinical, technical and biological equivalence of this custom-­‐made medical device as compared to those used in the usual method. Finally the condylar position obtained with this device was estimated in a preliminary clinical study and compared with the literature. Thanks to the OCPD, we showed the possibility of transferring in the operating room an OSBM virtual planning controlling condyles position.

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