Le système perceptif d’un chirurgien doit s’adapter aux contraintes multisensorielles liées à la chirurgie guidée par l’image. Trois expériences sont conçues pour explorer ces contraintes visuelles et haptiques pour l’apprentissage guidé par l’image. Les résultats montrent que les sujets sont plus rapides et plus précis avec une vision directe. La stéréoscopie 3D n’améliore pas les performances des débutants complets. En réalité virtuelle, la variation de la longueur, largeur, position et complexité de l'objet affecte les performances motrices. La force de préhension appliquée sur un système robotique chirurgical dépend de l'expérience de l'utilisateur. En conclusion, le temps et la précision sont importants, mais la précision doit rester une priorité pour un apprenti. L'homogénéité des groupes d'étude est important pour la recherche sur la formation chirurgicale. Les résultats ont un impact direct sur le suivi des compétences individuelles pour les applications guidées par l'image. / Perceptual system of a surgeon must adapt to conditions of multisensorial constrains regard to planning, control, and execution of the image-guided surgical operations. Three experimental setups are designed to explore these visual and haptic constraints in the image-guided training. Results show that subjects are faster and more precise with direct vision compared to image guidance. Stereoscopic 3D viewing does not represent a performance advantage for complete beginners. In virtual reality, variation in object length, width, position, and complexity affect the motor performance. Applied grip force on a surgical robot system depends on the user experience level. In conclusion, both time and precision matter critically, but trainee gets as precise as possible before getting faster should be a priority. Study group homogeneity and background play key role in surgical training research. The findings have direct implications for individual skill monitoring for image-guided applications.

Les travaux présentés dans cette thèse ont porté sur l’étude de faisabilité technique et logicielle du système i-GUIDE, système interactif de guidage des personnes dans les hypermarchés. Nous avons détaillé l’analyse fonctionnelle du besoin du système. Ensuite, nous avons étudié l’impact de l’intégration du système dans le magasin à travers le diagramme BPMN. Nous avons opté pour l’approche UML pour décrire les principales fonctionnalités de notre système ainsi que les objets nécessaires pour son bon fonctionnement. Une architecture du système i-GUIDE, basée sur la technologie RFID avec une application sous Android, a été présentée. Par ailleurs, nous avons proposé des approches d’optimisation de parcours dans un hypermarché basées sur la méthode de recherche tabou pour deux problèmes. Pour le premier problème, nous avons choisi le critère de la plus courte distance pour la détermination du chemin et pour le deuxième nous avons ajouté une contrainte de temps pour des articles en promotion. Avant de chercher le chemin le plus court à parcourir pour trouver les articles existants dans la liste de courses, nous avons proposé une méthode pour ladétermination des distances entre les articles de l’hypermarché pris deux à deux / The present work focuses on the technical feasibility study of i-GUIDE system which is a real time indoor navigation system dedicated to assist persons inside hypermarkets. We detailed its functional analysis. Then, we studied the impact of integrating the system inside hypermarkets. We opted for an UML design to describe its main functionalities and objects required. We presented architecture of i-GUIDE system based on RFID technology with an Android application. Furthermore, we introduced optimization approaches based on tabu search to compute the route visiting items existing in a shopping list for two problems. The first one treats the shortest path to pick up items and the second one adds a time constraint for promotional items. Before computing the shortest path, we introduced a method to determine distance between each two items existing in the hypermarket

La fovéa est la seule zone de la rétine où l’acuité visuelle est maximale. Les mécanismes qui visent à déterminer à quels endroits vont avoir lieu les prochaines fixations restent débattus. Certains auteurs suggèrent que les yeux sont principalement attirés par les zones les plus saillantes de la scène. D’autres suggèrent qu’ils sont orientés vers les objets. Les propriétés du système oculomoteur contraignent également les mouvements oculaires. L’objectif de cette thèse était de départager ces différents points de vue en examinant la contribution respective et le décours temporel des facteurs visuo-moteurs de bas niveau et des facteurs cognitifs de plus haut niveau dans la détermination des mouvements oculaires. Nous nous sommes focalisés sur trois phénomènes comportementaux clés : la tendance à bouger les yeux à proximité du centre des objets (Prefered-Viewing Location), les répercussions qu’ont ces positions d’atterrissage sur les durées initiales des fixations (Inverted Optimal-Viewing-Position) et les probabilités de refixation (Optimal-Viewing-Position). Nous avons observé que ces trois effets émergeaient, et ce, quel que soit le type de stimulus testé: des objets, des mots ou des objets sans signification. Cela suggère que ces effets reflètent les propriétés de bas niveau des systèmes visuel et oculomoteur. Par ailleurs, nous avons observé que l’endroit où les yeux atterrissaient au sein de l’objet était également influencé au fil du temps par les traitements de plus haut-niveau des propriétés du stimulus. Les saccades initiées plus tardivement atterrissaient plus proches de la zone la plus informative de l’objet. / High-quality vision is restricted to the fovea - a small region at the center of gaze. The mechanisms that determine which locations in a scene are selected for fixation remain debated. Some suggest that eye movements are mainly driven by the salient features in a scene. Others suggest that eye guidance is object based. The properties of the oculomotor system also strongly constrain eye behavior, but these have been neglected in most existing models. The purpose of this thesis was to disentangle between these different views, by investigating how low-level visuomotor factors versus higher-level cognitive factors contribute to eye movements towards and within isolated objects, and with which time course. We focused on three viewing-position effects: the tendency to move the eyes near the centers of objects (the PVL effect), and the repercussions these initial landing positions have on initial fixation durations (the I-OVP effect) and refixation probabilities (the OVP effect). We found that these three viewing-position effects emerged, and were comparable, in all stimulus types that we tested in this thesis: objects, words and even meaningless non-objects. This suggests that the effects reflect low-level properties of the visual and oculomotor systems. Furthermore, we found that where the eye moved within objects became influenced by ongoing processing of higher-level stimulus properties (e.g., object affordances) over time. Later- compared to early-triggered initial saccades, and even more so within-object refixations, were biased towards the most informative part of the objects, and away from their center of gravity.

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.

Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de l’atterrissage lunaire autonome et nous proposons une méthode innovante amenant une alternative à l’utilisation de capteurs classiques qui peuvent se révéler encombrants, énergivores et très onéreux.La première partie est consacrée au développement et à la construction de capteurs de mouvement inspirés de la vision des insectes volants et mesurant le flux optique.Le flux optique correspond à la vitesse angulaire relative de l’environnement mesurée par la rétine d’un agent. Dans un environnement fixe, les mouvements d’un robot génèrent un flux optique contenant des informations essentielles sur le mouvement de ce dernier. En utilisant le principe du « temps de passage », nous présentons les résultats expérimentaux obtenus en extérieur avec deux versions de ces capteurs.Premièrement, un capteur mesurant le flux optique dans les deux directions opposées est développé et testé en laboratoire. Deuxièmement un capteur adapté à la mesure des faibles flux optiques similaires à ceux pouvant être mesurés lors d’un alunissage est développé, caractérisé et enfin testé sur un drone hélicoptère en conditions extérieures.Dans la seconde partie, une méthode permettant de réaliser le guidage, la navigation et la commande (GNC pour Guidance Navigation and Control) du système est proposée. L’innovation réside dans le fait que l’atterrissage en douceur est uniquement assuré par les capteurs de flux optique. L’utilisation des capteurs inertiels est réduite au maximum. Plusieurs capteurs orientés dans différentes directions de visée, et fixés à la structure de l’atterrisseur permettent d’atteindre les conditions finales définies par les partenaires industriels. Les nombreuses informations décrivant la position et l’attitude du système contenues dans le flux optique sont exploitées grâce aux algorithmes de navigation qui permettent d’estimer les flux optiques ventraux et d’expansion ainsi que le tangage.Nous avons également montré qu’il est possible de contrôler l’atterrisseur planétaire en faisant suivre aux flux optiques estimés une consigne optimale au sens de la consommation d’énergie. Les simulations réalisées durant la thèse ont permis de valider le fonctionnement et le potentiel de la solution GNC proposée en intégrant le code du capteur ainsi que des images simulées du sol de la lune. / In this PhD thesis, the challenge of autonomous lunar landing was addressed and an innovative method was developed, which provides an alternative to the classical sensor suites based on RADAR, LIDAR and cameras, which tend to be bulky, energy consuming and expensive. The first part is devoted to the development of a sensor inspired by the fly’s visual sensitivity to optic flow (OF). The OF is an index giving the relative angular velocity of the environment sensed by the retina of a moving insect or robot. In a fixed environment (where there is no external motion), the self-motion of an airborne vehicle generates an OF containing information about its own velocity and attitude and the distance to obstacles. Based on the “Time of Travel” principle we present the results obtained for two versions of 5 LMSs based optic flow sensors. The first one is able to measure accurately the OF in two opposite directions. It was tested in the laboratory and gave satisfying results. The second optic flow sensor operates at low velocities such as those liable to occur during lunar landing was developed. After developing these sensors, their performances were characterized both indoors and outdoors, and lastly, they were tested onboard an 80-kg helicopter flying in an outdoor environment. The Guidance Navigation and Control (GNC) system was designed in the second part on the basis of several algorithms, using various tools such as optimal control, nonlinear control design and observation theory. This is a particularly innovative approach, since it makes it possible to perform soft landing on the basis of OF measurements and as less as possible on inertial sensors. The final constraints imposed by our industrial partners were met by mounting several non-gimbaled sensors oriented in different gaze directions on the lander’s structure. Information about the lander’s self-motion present in the OF measurements is extracted by navigation algorithms, which yield estimates of the ventral OF, expansion OF and pitch angle. It was also established that it is possible to bring the planetary lander gently to the ground by tracking a pre-computed optimal reference trajectory in terms of the lowest possible fuel consumption. Software-in-the-loop simulations were carried out in order to assess the potential of the proposed GNC approach by testing its performances. In these simulations, the sensor firmware was taken into account and virtual images of the lunar surface were used in order to improve the realism of the simulated landings.

Introduction : Les conduits nerveux synthétiques représentent une alternative chirurgicale aux autogreffes dans la réparation des traumatismes aux nerfs périphériques. Afin d’améliorer la régénération nerveuse périphérique, plusieurs biomatériels, tels que la multicouche polyélectrolyte de soie (MPE), et modèles ont été étudiés. Dans le cadre de ma maitrise, nos objectifs de recherche sont d’établir si la MPE de soie permet d’améliorer la régénération nerveuse périphérique in vivo et si notre nouveau modèle de conduit (« jelly roll ») peut mener à une meilleure régénération du nerf sciatique chez le rat que le modèle de conduit creux. Méthodes : Dans cette étude, une technique chirurgicale in vivo de lacération et de réparation du nerf sciatique chez le rat fut utilisé. Cinq conditions expérimentales de conduits (autogreffe, conduit creux avec et sans MPE de soie et « jelly roll » avec et sans MPE de soie) furent implantées (n= 2 rats par condition). Après 4 semaines, les conduits furent récupérés et marqués par immunohistochimie avec le neurofilament et la protéine basique de la myéline (MBP). La performance de chaque conduit fut évaluée par sa capacité à supporter l’excroissance axonale à travers le long du conduit et à travers la largeur de ce dernier à divers endroits. Résultats : Chaque condition expérimentale a supporté une régénération axonale avec différents degrés de succès. Globalement, l’autogreffe a supporté une plus longue croissance de fibres. De plus, la surface de fibres obtenue était plus large que les autres conditions. Les conduits avec la MPE de soie ont eu une performance similaire à leurs homologues sans soie. De plus, le modèle de conduit creux a mené à une meilleure régénération axonale que le modèle du « jelly roll ». Conclusion : L’autogreffe demeure le meilleur conduit pour supporter la régénération nerveuse périphérique. Les conduits avec la MPE de soie peuvent supporter une régénération nerveuse similaire aux conduits sans soie tandis que le modèle de « jelly roll » a généré des performances inférieures au modèle de conduit creux. / Background: Synthetic nerve conduits constitute alternative surgical options to autografts in the repair of peripheral nerve injuries. Silk polyelectrolyte multilayer (PEM) as a biomaterial and novel conduit designs have been proposed to improve peripheral nerve regeneration. In my master’s project, my objective is to assess whether silk PEM can improve peripheral nerve regeneration in vivo and to assess whether our novel conduit design (“jelly roll”) can better support rat sciatic nerve regeneration than a hollow conduit design. Methods: In this study, an in vivo rat model of sciatic nerve laceration and repair was used. Five experimental conduit conditions (autograft, hollow conduit with and without silk PEM, and jelly roll with and without silk PEM) were implanted (n=2 rats per condition). After 4 weeks, the conduits were harvested and immuno-stained for neurofilament and myelin basic protein (MBP). Conduit performance was assessed by its ability to support axonal outgrowth throughout the conduit’s length and at various locations along its width. Results: Each condition supported axonal regeneration at varying levels of success. Overall, the autograft group outperformed all other groups by supporting the longest and widest occupying regenerating fibers. Conduits with silk PEM performed similarly to conduits without silk PEM. In addition, the hollow conduit design demonstrated better regenerative outcomes than the jelly roll design. Conclusion: The autograft remains the superior conduit to support peripheral nerve regeneration. Conduits with silk PEM support nerve regeneration in the same capacity as non silk-coated conduits while the jelly roll design underperformed in comparison to the hollow conduit design.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le domaine de l'imagerie photoacoustique en tant que modalité d'imagerie prometteuse pour la médecine. Il a consisté en l'expérimentation du guidage photoacoustique de la thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU), et en l'étude de la génération par des agents de contraste spécifiques que sont les nanoparticules d'or. Dans un premier temps lors d'expériences \textit{in vitro}, une sonde conçue à la fois pour l'imagerie photoacoustique et la thérapie ultrasonore a été utilisée pour démontrer la faisabilité du guidage photoacoustique pour traiter par HIFU une zone tissulaire cible. L'usage de la photoacoustique pour le contrôle des HIFU révèle ainsi son caractère prometteur. Dans un second temps la modélisation physique de la génération photoacoustique par des nanoparticules d'or permet de quantifier les mécanismes non-linéaires thermoélastiques impactant le signal émis. Dans le cas d'une nanosphère d'or unique, nous décrivons en fonction des paramètres du problème l'importance de la contribution de ces phénomènes non-linéaires, qui sont causés par la dépendance en température de la dilatation thermique de l'eau. Nous en tirons un ensemble de prédictions quantitatives quant à l'influence et le poids de ces non-linéarités sur le signal photoacoustique. Puis nous généralisons ces résultats théoriques à une collection de nanosphères d'or, et les confrontons à nos résultats expérimentaux. Nous mettons ainsi en évidence une nouvelle forme prometteuse de contraste en imagerie photoacoustique: le contraste de non-linéarité thermoélastique.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche sur la fusion nucléaire par confinement inertiel, et vise notamment à contribuer à la validation du schéma d'allumage rapide. Elle consiste en une étude expérimentale des différents processus impliqués dans la propagation d'un faisceau d'électrons relativistes, produit par une impulsion laser ultra-intense (10^{19} W.cm-2), au sein de la matière dense qu'elle soit solide ou comprimée. Dans ce travail de recherche nous présentons les résultats de trois expériences réalisées sur des installations laser distinctes afin de générer des faisceaux d'électrons dans diverses conditions et d'étudier leur propagation dans différents états de la matière, du solide froid au plasma dense et tiède.La première expérience a été réalisée à très haut contraste temporel sur l'installation laser UHI100 du CEA de Saclay. L'étude du dépôt d'énergie par le faisceau d'électrons dans l'aluminium solide a mis en évidence un important chauffage à faible profondeur, où les effets collectifs sont prédominants, générant ainsi un gradient important de température entre les faces avant (300eV) et arrière (20eV) sur 20µm d'épaisseur. Une modélisation numérique de l'expérience montre que ce gradient induit la formation d'une onde de choc débouchant en face arrière, donnant alors lieu à une augmentation de l'émission thermique. La chronométrie expérimentale du débouché du choc permet de valider le modèle de transport collectif des électrons.Deux autres expériences ont porté sur l'étude de la propagation de faisceaux d'électrons rapides au sein de cibles comprimées. Lors de la première expérience sur LULI2000 (LULI), la géométrie de compression plane a permis de dissocier de manière précise les pertes d'énergie liées aux effets résistifs de celles liées aux effets collisionnels. En comparant nos résultats expérimentaux à des simulations, nous avons mis en évidence l'augmentation significative des pertes d'énergie du faisceau d'électrons avec la compression et le chauffage de la cible à des température proches de la température de Fermi, et ce, pour les deux mécanismes. La seconde expérience, réalisée en géométrie cylindrique sur Vulcan (RAL), a permis de mettre en évidence un phénomène de guidage du faisceau d'électrons rapides sous l'effet d'un intense champ magnétique, auto-généré en présence d'importants gradients radiaux de résistivité. Par ailleurs, dans les conditions de température et de densité atteintes, l'augmentation des pertes d'énergie collisionnelles avec la densité s'avère être compensée par une diminution des pertes résistives du fait du passage de la conductivité du milieu dans le régime des hautes températures de Spitzer. / The framework of this PhD thesis is the validation of the fast ignition scheme for the nuclear fusion by inertial confinement. It consists in the experimental study of the various processes involved in fast electron beams propagation, produced by intense laser pulses (10^{19} W.cm-2), through dense matter either solid or compressed. In this work we present the results of three experiments carried out on different laser facilities in order to generate fast electron beams in various conditions and study their propagation in different states of matter, from the cold solid to the warm and dense plasma.The first experiment was performed with a high intensity contrast on the UHI100 laser facility (CEA Saclay). The study of fast electron energy deposition inside thin aluminium targets highlights a strong target heating at shallow depths, where the collectivs effects are predominant, thus producing a steep temperature profile between front (300eV) and rear (20eV) sides over 20µm thickness. A numerical simulation of the experiment shows that this temperature gradient induces the formation of a shock wave, breaking through the rear side of the target and thus leading to increase the thermal emission. The experimental chronometry of the shock breakthrough allowed validating the model of the collective transport of electrons.Two other experiments were dedicated to the study of fast electron beam propagation inside compressed targets. In the first experiment on the LULI2000 laser facility, the plane compression geometry allowed to precisely dissociate the energy losses due to resistive effects from those due to the collisional ones. By comparing our experimental results with simulations, we observed a significative increase of the fast electron beam energy losses with the compression and the target heating to temperatures close to the Fermi temperature. The second experiment, performed in a cylindrical geometry, demonstrated a fast electron beam guiding phenomenon due to self-generated magnetic fields in presence of sharp radial resistivity gradients. Furthermore, in the temperature and density conditions achieved here, the increase of collisional energy losses with density is compensated by the decreasing resistive energy losses due to the transition of the conductivity into the high-temperatures Spitzer regime.

La thèse propose l’utilisation d’une pince active instrumentée en force pour automatiser l’assemblage des MOEMS 3D hybrides. Chacun des doigts de la pince instrumentée est composé d’un actionneur piézo-électrique et d’un capteur de force piézorésistif intégré. Le capteur de force intégré présente des performances innovantes par rapport aux capteurs existants dans l’ état de l’art. Cette pince offre la possibilité de mesurer les forces de serrage appliquées par la pince pour saisir un micro composant et d’estimer les forces de contact entre le micro composant et le substrat de micro-assemblage.Un modèle dynamique et non linéaire est développé pour la pince instrumentée. Une commande hybride force/position est utilisée pour automatiser le micro-assemblage. Dans cette commande, certains axes sont commandés en position et les autres sont commandés en force. Pour les axes commandés en force, une nouvelle commande fondée sur une commande en impédance avec suivi de référence est proposée selon un principe de commande non linéaire par mode glissant avec estimation des paramétres en lignes. En utilisant le schéma de commande hybride force/position proposé, une automatisation de toutes les tâches de micro-assemblage est réalisée avec succès, notamment sur un composant flexible à guider dans un rail. / This work proposes the use of an active microgripper with sensorized end-effectors for the automationof the microassembly of 3D hybrid MOEMS. Each of the two fingers of the microgripper is composedof a piezoelectric actuator with an integrated piezoresistive force sensor. The integrated force sensorpresents innovative performances compared to the existing force sensors in literature. The forcesensors provide the ability to measure the gripping forces applied by the microgripper to grasp a microcomponentand estimated the contact forces between the microcomponent and the substrate ofmicroassembly. A dynamic nonlinear model of the microgripper is developed. A hybrid force/positioncontrol is used for the automation of the microassembly. In the hybrid force/position control formulation,some axes are controlled in position and others are controlled in force. For the force controlledaxes, a new nonlinear force control scheme based on force tracking sliding mode impedance controlis proposed with parameter estimation. Using the proposed hybrid force/position control scheme, fullautomation of the microassembly is performed, notably for the guiding of a flexible component in arail.