L'évolution des techniques chirurgicales, par l'utilisation de robots, permet des interventions mini-invasives avec une très grande précision et ouvre des perspectives d'interventions chirurgicales à distance, comme l'a démontré la célèbre expérimentation « Opération Lindbergh » en 2001. La contrepartie de cette évolution réside dans des volumes de données considérables qui nécessitent des ressources importantes pour leur transmission. La compression avec pertes de ces données devient donc inévitable. Celle-ci constitue un défi majeur dans le contexte médical, celui de l'impact des pertes sur la qualité des données et leur exploitation. Mes travaux de thèse concernent l'étude de techniques permettant l'évaluation de la qualité des vidéos dans un contexte de robotique chirurgicale. Deux approches méthodologiques sont possibles : l'une à caractère subjectif et l'autre à caractère objectif. Nous montrons qu'il existe un seuil de tolérance à la compression avec pertes de type MPEG2 et H.264 pour les vidéos chirurgicales. Les résultats obtenus suite aux essais subjectifs de la qualité ont permis également de mettre en exergue une corrélation entre les mesures subjectives effectuées et une mesure objective utilisant l'information structurelle de l'image. Ceci permet de prédire la qualité telle qu'elle est perçue par les observateurs humains. Enfin, la détermination d'un seuil de tolérance à la compression avec pertes a permis la mise en place d'une plateforme de transmission en temps réel sur un réseau IP de vidéos chirurgicales compressées avec le standard H.264 entre le CHU de Nancy et l'école de chirurgie / The digital revolution in medical environment speeds up development of remote Robotic-Assisted Surgery and consequently the transmission of medical numerical data such as pictures or videos becomes possible. However, medical video transmission requires significant bandwidth and high compression ratios, only accessible with lossy compression. Therefore research effort has been focussed on video compression algorithms such as MPEG2 and H.264. In this work, we are interested in the question of compression thresholds and associated bitrates are coherent with the acceptance level of the quality in the field of medical video. To evaluate compressed medical video quality, we performed a subjective assessment test with a panel of human observers using a DSCQS (Double-Stimuli Continuous Quality Scale) protocol derived from the ITU-R BT-500-11 recommendations. Promising results estimate that 3 Mbits/s could be sufficient (compression ratio aroundthreshold compression level around 90:1 compared to the original 270 Mbits/s) as far as perceived quality is concerned. Otherwise, determining a tolerance to lossy compression has allowed implementation of a platform for real-time transmission over an IP network for surgical videos compressed with the H.264 standard from the University Hospital of Nancy and the school of surgery

La chirurgie mini-invasive limite les incisions et le traumatisme pour le patient. Elle bénéficie de l'assistance robotisée qui améliore précision et confort du geste opératoire. Cependant des difficultés subsistent. Ainsi dans les opérations de pontage des artères coronaires, la localisation et l'identification des artères cibles de l'intervention posent problème. Nous proposons alors de guider le chirurgien en superposant le modèle des artères du patient dans les images endoscopiques intra-opératoires. L'une des contributions de cette thèse consiste à définir une approche basée sur l'analyse de l'intervention et du geste chirurgical: tout d'abord nous nous intéressons à la modélisation statique des artères coronaires à partir de moyens standards d'imagerie. Nous initialisons ensuite le recalage dans les images endoscopiques en calibrant l'endoscope stéréoscopique robotisé et en recalant l'enveloppe externe du patient au bloc opératoire. Nous affinons enfin ce résultat pour tenir compte du déplacement intra-opératoire du coeur et des erreurs successives. Un mécanisme multi-modèles robuste original, basé sur la traduction des indications données par le chirurgien en mesures, permet d'aboutir à la précision nécessaire au guidage. Cet outil novateur de chirurgie assistée par ordinateur est intégré au sein d'une architecture commune expérimentée avec le robot Da Vinci au cours de nombreux tests in-vivo.

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.