Ces travaux de recherche sont axés sur la modélisation et la simulation des tissus mous pour le vivant.<br />Nous avons proposé un nouveau modèle mécanique discret qui permet de simuler des interactions entre objets biologiques ou médicaux, et développé un environnement et des outils logiciels afin de fournir un cadre pour la comparaison et la validation de modèles physiques.<br />Cet environnement a ainsi permis de comparer mon modèle à d'autres approches.<br /><br />Le modèle développé a été utilisé dans différentes problématiques applicatives cliniques et de biologie.<br />En GMCAO il s'agit d'aider le chirurgien ou le praticien dans son diagnostic (étude et simulation des mouvements respiratoires) ou dans son geste (modélisation de la prostate et des gestes de biopsie et de curiethérapie). <br />En biologie cellulaire, il s'agit d'étudier des phénomènes au niveau cellulaire ou de reproduire des expériences de micro-manipulations dont les modèles classiquement utilisés dans ce contexte ne rendent pas bien compte.<br /><br />Ce mémoire peut se décomposer en trois parties : le chapitre 1 présente une introduction générale au sujet de la modélisation des tissus mous pour les GMCAO et la biologie cellulaire ; les chapitres 2 à 5 présentent mes travaux de modélisation et de validation et leurs applications ; enfin, le chapitre 6 présente mes perspectives de recherche.<br />On trouvera en annexe A une synthèse de mes activités dans un CV court.<br />Ces travaux ont donné lieu à des encadrements d'étudiants (annexe B) et à des collaborations scientifiques et cliniques (annexe C).<br />Un résumé de mes contributions ainsi que les publications scientifiques et cliniques les plus significatives sont présentés en annexes D et E.

Pointer et sélectionner une cible avec un curseur est une interaction omniprésente dans l'utilisation des ordinateurs. La sélection peut néanmoins être difficile à réaliser si le contrôle du curseur n'est pas aisé, ou encore si la cible est petite ou distante. Aussi, faciliter la sélection de cibles est un thème essentiel et actif en Interaction Homme-Machine (IHM) et les techniques conçues sont nombreuses.Notre travail de recherche se focalise sur l'étude des techniques d'expansion de cibles. Celles-ci facilitent le pointage et la sélection en allouant à une cible une plus grande zone active, sans toutefois modifier la cible elle-même. L'algorithme d'expansion d'une technique détermine la zone active étendue de chaque cible, tandis que l'aide visuelle de la technique fournit à l'utilisateur les informations nécessaires pour exploiter l'expansion lors du pointage et sélection. Notre travail est dédié à l'aide visuelle des techniques d'expansion de cibles en abordant leur conception et leur impact sur les performances.Nous proposons dans un premier temps un espace de conception des aides visuelles. Cet espace est accompagné d'une notation matricielle de description des aides visuelles et permet une classification des techniques d'expansion existantes. Son pouvoir génératif s'illustre par la création de huit techniques d'expansion, que nous évaluons au travers de deux expériences en laboratoire. Les résultats de ces deux expériences nous permettent de formuler un ensemble de recommandations pour les concepteurs de techniques d'expansion.Nous avançons ensuite un modèle conceptuel de performance des techniques d'expansion. Ce modèle s'appuie sur la notion de pertinence de l'information contenue dans l'aide visuelle des techniques. Il considère une tâche de sélection sous l'angle cognitif en la décomposant en trois phases déterminées par les buts de l'utilisateur : la phase préliminaire au geste, la phase de transfert du curseur vers la cible et la phase de validation de la sélection. Nous confrontons ce modèle de performance avec des résultats expérimentaux de la littérature et d'une troisième expérience en laboratoire.Nos contributions sont appliquées à l'interaction chirurgien-ordinateur en contexte per-opératoire, c'est-à-dire en bloc opératoire durant une intervention chirurgicale. En particulier, l'entreprise partenaire de cette thèse CIFRE, Aesculap, intègre dans la prochaine version du produit OrthoPilot, un système informatique pour la chirurgie orthopédique, une des techniques d'expansion étudiées. Nous présentons également Medical TapTap, une nouvelle technique d'interaction gestuelle au pied conçue pour la validation de la sélection en contexte per-opératoire. / Pointing to/ Selecting targets is an elementary task universally present in graphical user interfaces (GUI). This task can be difficult to perform if the control of the cursor is not easy or if the target is far away or small. Thus facilitating target selection is a fundamental and active research topic in Human-Computer Interaction (HCI) and researchers have proposed numerous targeting assistance techniques.Our research focuses on targeting assistance techniques that allocate larger activation areas to targets. Such target expansion techniques rely on two basic elements: the expansion algorithm and the visual aid. The expansion algorithm distributes partly or wholly the free space among the targets. The visual aid presents the resulting target expansion to the users. Our work is dedicated to the visual aid that enables the users to take full advantage of the target expansion technique during the pointing/selection tasks.We first propose a three-axes design space for visual aid mechanisms. We further define a matrix-based notation for concisely describing a target expansion technique along the three design axes. We provide an analytical exploration of the design space by classifying existing target expansion techniques and by designing eight novel target expansion techniques, thus demonstrating the generative power of the design space. We also provide an experimental exploration of the design space by conducting two in-lab experiments. Based on the experimental results, we build a set of design recommendations.We then put forward a conceptual predictive model of performance. The model relies on a systematic analysis of the relevance of the visual aid provided by a target expansion technique based on the three goal-oriented phases of a selection task: the starting phase to initiate the movement towards the target, the transfer phase to bring the cursor into the goal target and the selection validation phase. To test the model we consider experimental results of the literature and of a third conducted in-lab experiment.Our contributions are applied to the field of Augmented Surgery and in particular interaction with a distant screen during a surgery in the operating theatre. As part of a Aesculap-CIFRE thesis, the next version of the product Aesculap’s OrthoPilot® Navigation System for orthopaedic surgery will include a target expansion technique for facilitating target selection by the surgeon in the operating theatre. We also provide a new foot gesture-based technique, namely Medical TapTap, for the validation of selection in the operating theatre.

La Chirurgie Augmentée fait appel à des dispositifs médicaux (Dispositifs de Chirurgie Augmentée ou DCA) permettant au chirurgien de mieux se repérer dans l'espace, et donc d'enrichir son environnement chirurgical en vue de faciliter la réalisation de son geste. L'essor de ces dispositifs, par leur multiplication et par leur médiatisation, a amené les pouvoirs publics à s'interroger sur la qualité associée aux interventions assistées de ces appareils. Dans ce travail, nous illustrons la problématique de la Qualité associée aux interventions assistées de DCA par une description historique du premier robot médical actif utilisé pour la pose de prothèses totales de hanche. Nous abordons ensuite la notion de la qualité en médecine en général puis de la qualité des DCA en particulier. Nous verrons qu'il n'y a pas de dispositions spécifiques pour ces dispositifs et qu'il n'apparaît pas adéquat de parler de la qualité d'un DCA sans prendre en compte l'environnement dans lequel il est utilisé. C'est pourquoi il est essentiel de structurer l'usage de ces dispositifs ainsi que l'environnement dans lequel ils sont utilisés. Une des manières de structurer cet environnement est d'utiliser les ontologies. En utilisant la fonction d'édition d'ontologies du logiciel ISIS, nous avons modélisé une intervention chirurgicale pour insuffisance ligamentaire du ligament croisé antérieur, avec et sans DCA, ainsi que l'environnement associé. Cette représentation ontologique est constituée d'un ensemble de 45 Diagrammes Ontologiques (DO) comportant au total 1072 concepts. Nous décrivons le matériel et la méthode utilisés pour construire l'ensemble de ces diagrammes. Pour parler de la qualité des DCA, un utilisateur peut créer son système d'information à partir de notre modèle ontologique afin de disposer de ses propres indicateurs. La validation de notre modèle structurel a été réalisée par un expert à travers un scénario d'une intervention chirurgicale, créé à partir du modèle ontologique. Nous abordons enfin les perspectives possibles de notre travail. / Augmented surgery uses medical apparatus (Augmented Surgery Devices or ASD) allowing the surgeon to improve their orientation, and thus enhance the surgical environment to facilitate carrying out their actions. The development of these devices, their proliferation and the media exposure they receive, has led the government to question the quality associated with interventions assisted by these apparatus. In this paper, we illustrate the issues of quality associated with ASD-assisted interventions through a chronological description of the first active medical robot used for fitting total hip replacements. We then discuss the notion of quality in medicine in general and finally the quality of ASD in particular. We will see that there are no specific provisions for these devices and it doesn't seem appropriate to speak of the quality of an ASD without taking into account the environment in which it is used. This is why it is crucial to structure the use of these devices as well as the environment in which they are used. One way to structure this environment is to use ontologies. Using the ontology editing function of the ISIS software, we modeled surgery, as well as the associated environment, for ligament insufficiency of the anterior cruciate ligament with and without ASD. This ontological representation consists of a set of 45 Ontological Diagrams (OD) having a total of 1072 concepts. We describe the materials and methods used to build all of these diagrams. To speak of the quality of ASD, a user can create their information system from our ontological model in order to have their own metrics. The validation of our structural model was carried out by an expert through a scenario of surgery, created from the ontological model. Finally we discuss the possible prospects for our work.