La présente thèse traite de l'utilisation de retours haptiques pour fournir des informations aux chirurgiens durant des opérations de chirurgie minimalement invasive dans le but de les aider à améliorer leurs gestes.De meilleurs résultats pour les patients on amené la chirurgie minimalement invasive à devenir le standard pour bon nombre d'interventions. Cependant, la perte de perception de profondeur, la coordination main-oeil compliquée ainsi que les distorsions de sensations haptiques compliquent largement la tâche pour le chirurgien. Nous explorons le potentiel de retours haptiques pour intuitivement assister les chirurgiens durant des gestes de chirurgie minimalement invasive. Les formes de retour évaluées sont principalement haptiques (tactiles et kinesthésiques), avec des comparaisons à des retours visuels et multi-modaux (combinaisons de retours visuels et haptiques).Nos expériences dans le domaine de la navigation d'outils de chirurgie montrent des résultats encourageants quand aux bénéfices obtenus par des retours haptiques en termes d'amélioration de la qualité du geste chirurgical. Les guides par "virtual fixtures" montrent une nette supériorité par rapport aux autres formes de retour étudiées, cependant les retours vibrotactiles permettent aussi des améliorations notables. Des travaux parallèles sur le retour d'informations au sujet des efforts d'intéraction en bout d'outils a mis en évidence des différences importantes en termes des exigences de conception pour le retour tactile. Ceci nous a permis d'effectuer une conception et validation préliminaire de retours tactiles spécifiques à des applications de maitrise d'efforts, en utilisant l'exemple de la suture. / The present thesis focuses on the use of haptic feedback technologies to provide information to surgeons during laparoscopic or minimal access surgery (MAS) with the aim of assisting them in improving their gestures.Better overall outcomes for patients have led MAS to become standard for many surgical interventions. However, loss of visual depth perception, difficult hand-eye coordination and distorted haptic sensation seriously complicate this task for the surgeon. We explore the potential of haptic cues for intuitively assisting surgeons during MAS gestures. Evaluated forms of feedback mainly focus on haptic (tactile and kinaesthetic) cues, but include comparisons to visual and multi-modal combined haptic and visual cues.Experiments on surgical tool navigation show encouraging results for the benefit of haptic cues in improving surgical gestures, with clear superiority of soft guidance virtual fixtures over other forms of feedback. However, promising results for the use of vibrotactile feedback are also obtained. These results are confirmed in preliminary experiments on tool navigation in preliminary experiments on tool navigation during a laparoscopic cutting training task.Parallel work on feeding back interaction forces highlighted significant differences in the usability and design requirements for tactile cues when compared to instrument navigation applications. This led us to design and perform preliminary testing on tactile cues appropriate force information in the case of intra-corporeal suture knot tying.

Rationnel: La simulation en chirurgie colorectale laparoscopique (CCL) est peu évaluée & n'a jamais été analysée en parcours de soin. Objectifs: Etudier & développer 1 formation en parcours de soin simulé (FPSS) en CCL: patients virtuels en périopératoire & programme d'entrainement virtuel (PEV) peropératoire. Déterminer si cette FPSS améliore la prise en charge des malades. Méthodes: 1) Développement d'1 FPPS pour l'appendicite. Test de sa faisabilité auprès des internes d'un service de chirurgie & évaluation de son impact sur 38 patients admis pour appendicite avant (n=21) & après (n=17) FPSS. 2) Développement d'1 FPPS en CCL respectant les objectifs de réhabilitation précoce (ORP) & validation d'un PEV en CCL. Impact de sa mise en place auprès des internes d'un service, sur 20 patients inclus prospectivement avant (n=10) & après (n=10) FPSS.Résultats: 1) Tous les internes ont suivi la FPSS. Les données pré/peropératoires étaient comparables entre les 2 groupes patients. Les délais de réalimentation liquide & solide étaient réduits après FPSS (7h (2-20) vs. 4 (4-6); P = 0.004 & 17h (4-48) vs. 6 (4-24); P = 0.005) sans modifier la morbidité ni la durée d'hospitalisation (DH). 2) La participation des internes comme opérateur a augmenté après FPSS (0% (0-100) vs. 82.5% (10-100); P = 0.006). Les données pré/peropératoires étaient comparables entre les 2 groupes patients. Le respect des objectifs de RP était meilleur à J2 après FPSS (3 (30%) vs. 8 (80%); P = 0.035). La morbidité & la DH étaient inchangées. Conclusion: Une FPSS en CCL a montré sa faisabilité. Elle a amélioré le respect des ORP & augmenté la participation des internes sans altérer les suites opératoires. / Background: Few studies have assessed simulation in laparoscopic colorectal surgery (LCS) & simulation has never been designed in a care pathway approach (CPA) manner. Objectives: To design a CPA to training in LCS, involving virtual patients perioperative training & a virtual competency-based curriculum for intraoperative training. To implement such CPA & to look whether such training may improve patients' management. Methods:1) A CPA to training in appendicitis was designed and implemented. All residents of our department were trained & 38 patients undergoing appendectomy were prospectively included before (n=21) and after (n=17) CPA. 2) A CPA to training in LCS was designed in accordance with enhanced recovery (ER) recommendations, and a curriculum in LCS was validated. All residents of our department were trained & 20 patients were prospectively included before (n = 10) and after (n = 10) CPA. Results: 1) All residents were trained. Pre/intraoperative data were comparable between groups of patients. Times to liquid and solid diet were reduced after CPA (7 h (2-20) vs. 4 (4-6); P=0.004 & 17 h (4-48) vs. 6 (4-24); P=0.005) without changing postoperative morbidity & length of stay (LS). 2) Residents' participation in LCS improved afterCPA (0% (0-100) vs. 82.5% (10-100); P = 0.006). Pre/intraoperative data were comparable between groups of patients. Compliance for ER improved at day 2 in post-training patients (3 (30%) vs. 8 (80%); P = 0.035). Postoperative morbidity and LS were comparable. Conclusion: A CPA to training in LCS has been designed and implemented. It improved compliance for ER & residents participation without adversely altering patients' outcomes.

Introduction : La néphro-urétérectomie radicale (NUR) représente le traitement primaire pour les patients atteints d’une tumeur des voies excrétrices supérieures (TVES) non métastatique. Une approche ouverte ou laparoscopique peut être considérée. Malgré la présence de plusieurs études comparant les résultats périopératoires et oncologiques entre ces deux approches, aucunes études se basent sur une cohorte populationnelle. Objectif : Notre but est d’évaluer la morbidité péri-opératoire entre la NUR ouverte et laparoscopique en utilisant une cohorte populationnelle. Méthode : Nous avons utilisé la base de donnée Nationwide Inpatient Sample (NIS) pour identifier tous les patients atteints d’une TVES non métastatique, traités par NUR ouverte ou laparoscopique, entre 1998 et 2009. Au total, 7401 (90,8%) et 754 (9,2%) patients ont subi une NUR ouverte et laparoscopique, respectivement. Dans le but de contrôler les différences inhérentes entre les deux groupes, nous avons utilisé une analyse par appariement sur les scores de propension. Ainsi, 3016 (80%) patients avec NUR ouverte étaient appariés à 754 (20%) patients avec NUR laparoscopique. Intervention : Tous les patients ont subi une NUR. Mesures : Les taux de complications intra-opératoires et post-opératoires, de transfusions sanguines, d’hospitalisation prolongée et de mortalité intrahospitalière ont été mesurés. Des analyses de régression logistique on été utilisées pour notre cohorte, après appariement sur les scores de propension. Résultats et Limitations : Pour les patients traités par approche ouverte vs. laparoscopique, les taux suivants furent calculés : transfusions sanguines : 15 vs. 10% (p<0,001); complications intra-opératoires : 4,7 vs. 2,1% (p=0,002); complications post-opératoires : 17 vs. 15% (p=0,24); durée d’hospitalisation prolongée (≥ 5 jours) : 47 vs. 28% (p<0,001); mortalité intra-hospitalière 1,3 vs. 0,7% (p=0,12). Sur les analyses par régression logistique, les patients ayant été traités par NUR laparoscopique avaient moins de chance de recevoir une transfusion sanguine (odds ratio [OR]: 0,6, p<0,001), de subir une complication intra-opératoire (OR: 0,4, p=0,002), et d’avoir une durée prolongée d’hospitalisation (OR: 0,4, p<0,001). Globalement les taux de complications postopératoires étaient équivalents. Toutefois, l’approche laparoscopique était associée à moins de complications pulmonaires (OR: 0,4, p=0,007). Cette étude est limitée par sa nature rétrospective. Conclusion: Après ajustement de potentiels biais de sélection, la NUR par approche laparoscopique est associée à moins de complications intraopératoires et péri-opératoires comparée à la NUR par approche ouverte. / Background: Nephroureterectomy represents the primary management for patients with non-metastatic upper tract urothelial carcinoma (UTUC). Either an open (ONU) or laparoscopic (LNU) nephroureterectomy may be considered. Despite the presence of several reports comparing perioperative and cancer control outcomes between the two approaches, no reports relied on a population-based cohort. Objectives: To examine intraoperative and postoperative morbidity of ONU and LNU in a population-based cohort. Design, setting, and participants: We relied on the Nationwide Inpatient Sample (NIS) to identify patients with non-metastatic UTUC treated with ONU or LNU between years 1998 and 2009. Overall, 7401 (90.8%) and 754 (9.2%) patients underwent ONU and LNU, respectively. To adjust for potential baseline differences between the two groups, propensity-based matching was performed. This resulted in 3016 (80%) ONU patients matched to 754 (20%) LNU patients. Intervention: All patients underwent NU. Measurements: The rates of intraoperative and postoperative complications, blood transfusions, prolonged length of stay (pLOS), and in-hospital mortality were assessed for both procedures. Multivariable logistic regression analyses were performed within the post propensity-matched cohort. Results and limitations: For ONU vs. LNU respectively, the following rates were recorded: blood transfusions: 15 vs. 10% (P<0.001); intraoperative complications: 4.7 vs. 2.1% (P=0.002); postoperative complications: 17 vs. 15% (P=0.24); pLOS (≥5 days): 47 vs. 28% (P<0.001); in-hospital mortality: 1.3 vs. 0.7% (P=0.12). In multivariable logistic regression analyses, LNU patients were less likely to receive a blood transfusion (odds ratio [OR]: 0.6, P<0.001), to experience any intraoperative complications (OR: 0.4, P=0.002), and to have a pLOS (OR: 0.4, P<0.001). Overall postoperative complications were equivalent. However, LNU patients had fewer respiratory complications (OR: 0.4, P=0.007). This study is limited by its retrospective nature. Conclusions: After adjustment for potential selection biases, LNU is associated with fewer adverse intraoperative and perioperative outcomes than ONU.

La chimiothérapie systémique par voie intraveineuse, essentiellement réservée aux cancers avancés, n'est pas ciblée sur la tumeur, il est très difficile d’atteindre des niveaux thérapeutiques en intra tumoral, et ses effets secondaires et sa toxicité sont doses-limitantes.La chimiothérapie localisée pourrait permettre :1) la stabilisation des molécules médicamenteuses incorporées une seule administration médicamenteuse,2) une libération prolongée et contrôlée du médicament pour assurer une diffusion adéquate et l'absorption par les cellules cancéreuses sur plusieurs cycles de division cellulaire 3) le chargement de molécules de chimiothérapie insolubles dans l’eau, 4) l’apport direct au site de la maladie, 6) des effets secondaires diminués en évitant la circulation systémique,7) des résections chirurgicales moindres en traitant les marges de la tumeur. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux cancers gynécologiques. Nous avons étudié les effets pharmacologiques et cliniques de microsphères chargées en doxorubicine (Doxo) sur un modèle de carcinose péritonéale et de tumeur de glande mammaire, et étudié le profil de diffusion ganglionnaire de divers implants non chargés. 12 jours après injection laparoscopique de tumeurs VX2 sur les ligaments larges droits et gauches de lapines WNZ 12 une injection laparoscopique de 0,5 ml de microsphères chargées ou non de Doxo (respectivement DM, groupe 1 et BM, groupe 2) a été réalisée de façon aléatoire d’un côté ou de l’autre, en sous péritonéal, au site tumoral. 7 jours après les ligaments larges, l’utérus, les ovaires, les orifices de trocarts, les intestins, la vessie, le foie et les poumons ont été examinés en macroscopie et microscopie. Le volume tumoral était plus faible dans le groupe 1 (3,6 ± 3,2 cm) par rapport au groupe 2 (8,9 ± 5,4 cm) (MW, p = 0,0179). La nécrose a été observée autour de toutes les DM, sans nécrose autour des BM. La concentration de Doxo était de 2,1 ± 2,7 uM aux limites tumorales, au-dessus du niveau thérapeutique de 1,0 uM. Sur un autre modèle, 19 jours après injection locale de suspensions tumorales de VX2 sur la deuxième glande mammaire de lapines WNZ chaque glande a été aléatoirement traitée par injection locale de 0,5 ml de microsphères chargées ou non de Doxo (HSDOXO, Groupe1, et HS, groupe 2).Pour les tumeurs de moins de 5 cm3 ou 2 cm de diamètre avant traitement, le volume final était plus faible dans le groupe 1 par rapport à groupe2 (respectivement p<0.008 et p<0.3, MW)et la croissance tumorale a été diminuée après injection de HSDOXO par rapport à HS. En microscopie une nécrose tissulaire a été observée autour des HSDOXO en extratumoral, sans nécrose autour des HS.Nous avons enfin étudié la diffusion de particules de diverses tailles, non chargées, au ganglion sentinelle d’une tumeur de glande mammaire . Les animaux ont été répartis en trois groupes de trois, chacun d'eux recevant des particules de 100 nM, 1 uM ou 10 uM. Cinq jours après traitement, l'intensité de fluorescence a été évaluée par lampe UV. Le ganglion sentinelle a été disséqué selon la technique du bleu, avant curage complet. Les premiers résultats montrent la capture de particules de 1 et 100µm par les ganglions tumoraux mais aussi dans les ganglions sains, ce qui permettrait d’envisager un traitement ganglionnaire préventif et curatif.De plus en plus de tumeurs seront décelées au stade local. Par ailleurs l'identification des phénotypes génomiques permettra un traitement personnalisé « à la carte ». On pourrait envisager un dispositif de délivrance programmable traitant tous les aspects de la maladie, de l'inhibition de la croissance tumorale et de l'angiogenèse à la promotion de la cicatrisation des tissus normaux. / Systemic chemotherapy is mainly reserved for advanced cancers, is not targeted to the tumor, it is very difficult to achieve intratumoral therapeutic levels and its side effects and toxicity are dose-limiting.Local chemotherapy may have several advantages:1) stabilization of embedded drug molecules and preservation of anticancer activity,2) controlled and prolonged drug release to ensure adequate diffusion and uptake into cancer cells over many cycles of tumor cell division, 3) loading and release of water-insoluble chemotherapeutics, 4) direct delivery to the site of disease, 5) one-time administration of the drug, 6) diminished side effects due to the avoidance of systemic circulation of chemotherapeutic drugs.We were particularly interested in gynecological cancers. We studied the pharmacological and clinical effects of doxorubicin-loaded microspheres (Doxo) in a model of peritoneal carcinomatosis,a model of mammary gland tumor, and studied the diffusion profile of various micro and nanoparticles in tumoral and non tumoral lymph nodes.12 days after laparoscopic injection of VX2 tumors on the right and left broad ligament of WNZ rabbits laparoscopic injection of 0.5 ml of microspheres loaded or not with Doxo (DM or Group 1, BM Group 2 respectively) was conducted randomly to one side or another, at the sub peritoneal tumor site. 7 days after the broad ligaments, uterus, ovaries, trocars, bowels, bladder, liver and lungs were examined macroscopically and microscopically. The tumor volume was lower in group 1 (3.6 ± 3.2 cm) compared with group 2 (8.9 ± 5.4 cm) (MW, p = 0.0179). Necrosis was observed around all DM without necrosis around the BM. Doxo concentration was 2.1 ± 2.7 µM at the tumor margins, above the therapeutic level of 1.0 uM.On another model, 19 days after local injection of VX2 tumor suspensions in the second mammary gland of WNZ rabbits each gland was randomly treated by local injection of 0.5 ml of microspheres loaded or not with Doxo (HSDOXO, Group1, and HS Group 2).For tumors less than 5 cm3 or 2 cm in diameter before treatment, the final volume was lower in group 1 compared to Group 2 (p <0.008 and p <0.3, MW) and tumor growth was reduced after HSDOXO injection compared to HS. Microscopic tissue necrosis was observed around extratumoral HSDOXO without necrosis around the HS.We finally studied the diffusion of unloaded particles of various sizes on the lymph nodes of a mammary gland tumor. The animals were divided into three groups of three, each receiving particles of 100 nm, 1 µm or 10 µm. Five days after treatment, the fluorescence intensity was measured by UV lamp. The sentinel lymph node was dissected according to the technique of blue dye.The first results show the capture of 1 μm and 100μm particles by the tumoral and non tumoral lymph nodes, which would consider a preventive and curative treatment of the nodes.Since more and more tumors are detected at the local stage and with the identification of genomic phenotypes, a personalized local chemotherapy could be the next step of cancer therapy. One could imagine a programmable controlled drug delivery device dealing with all aspects of the disease, inhibition of tumor growth and angiogenesis, while promoting the healing of normal tissues.

L'intégration de systèmes robotiques au sein du bloc opératoire a modifié le déroulement de certaines interventions, laissant ainsi place à des pratiques favorisant le bénéfice médical rendu au patient en dépit des aspects conventionnels. Dans ce cadre, de récentes études de la Haute Autorité de Santé ont mis en avant les effets indésirables graves intervenant au cours des procédures chirurgicales robotisées. Ces erreurs, majoritairement dues aux compétences techniques du praticien, remettent ainsi en cause la formation et les techniques d'apprentissage pour la chirurgie robotisée. Bien que l'utilisation abondante de simulateurs facilite cet apprentissage au travers différents types d'entraînement, le retour fourni à l'opérateur reste succinct et ne lui permet pas de progresser dans de bonnes conditions. De ce fait, nous souhaitons améliorer les conditions d'entraînement en chirurgie laparoscopique robotisée. Les objectifs de cette thèse sont doubles. En premier lieu, ils visent le développement d'une méthode pour la segmentation et la reconnaissance des gestes chirurgicaux durant l'entraînement en se basant sur une approche non-supervisée. Utilisant les données cinématiques des instruments chirurgicaux, nous sommes capables de reconnaître les gestes réalisés par l'opérateur à hauteur de 82%. Cette méthode est alors une première étape pour l'évaluation de compétences basée sur la gestuelle et non sur l'ensemble de la tâche d'entraînement. D'autre part, nous souhaitons rendre l'entraînement en chirurgie robotisée plus accessible et moins coûteux. De ce fait, nous avons également étudié l'utilisation d'une nouvelle interface homme-machine sans contact pour la commande des robots chirurgicaux. Dans ces travaux, cette interface a été couplée au Raven-II, un robot de téléopération dédié à la recherche en robotique chirurgicale. Nous avons alors évalué les performances du système au travers différentes études, concluant ainsi à la possibilité de téléopérer un robot chirurgical avec ce type de dispositif. Il est donc envisageable d'utiliser ce type d'interface pour l'entraînement sur simulateur afin de réduire le coût de la formation, mais également d'améliorer l'accès et l'acquisition des compétences techniques spécifiques à la chirurgie robotisée. / Integration of robotic systems in the operating room changed the way that surgeries are performed. It modifies practices to improve medical benefits for the patient but also brought non-traditional aspects that can lead to serious undesirable effects. Recent studies from the French authorities for hygiene and medical care highlight that these undesirable effects mainly come from the surgeon's technical skills, which question surgical robotic training and teaching. To overcome this issue, surgical simulators help to train practitioner through different training tasks and provide feedback to the operator. However the feedback is partial and do not help the surgeon to understand gestural mistakes. Thus, we want to improve the surgical robotic training conditions. The objective of this work is twofold. First, we developed a new method for segmentation and recognition of surgical gestures during training sessions based on an unsupervised approach. From surgical tools kinematic data, we are able to achieve gesture recognition at 82%. This method is a first step to evaluate technical skills based on gestures and not on the global execution of the task as it is done nowadays. The second objective is to provide easier access to surgical training and make it cheaper. To do so, we studied a new contactless human-machine interface to control surgical robots. In this work, the interface is plugged to a Raven-II robot dedicated to surgical robotics research. Then, we evaluated performance of such system through multiple studies, concluding that this interface can be used to control surgical robots. In the end, one can consider to use this contactless interface for surgical training with a simulator. It can reduce the training cost and also improve the access for novice surgeons to technical skills training dedicated to surgical robotics.

La création d'informations 3D denses à partir d'images endoscopiques intraopératoires, ainsi que le calcul de la position relative de la caméra endoscopique, sont des éléments fondamentaux pour un guidage de qualité durant la chirurgie guidée par l'image. Par exemple, cela permet de superposer modèle pré-opératoire via la réalité augmentée. Cette thèse présente une approche pour l'estimation de ces deux information basées sur une approche de localisation et cartographie simultanées (SLAM). Nous découplons la reconstruction dense de l'estimation de la trajectoire de la caméra, aboutissant à un système qui combine la précision du SLAM, et une reconstruction plus complète. Les solutions proposées dans cette thèse ont été validées sur de séquences porcines provenant de différents ensembles de données. Ces solutions n'ont pas besoin de matériel de suivi externe ni d'intervention. Les seules entrées nécessaires sont les trames vidéo d'un endoscope monoculaire. / Recovering dense 3D information from intra-operative endoscopic images together with the relative endoscope camera pose are fundamental blocks for accurate guidance and navigation in image-guided surgery. They have several important applications, e.g., augmented reality overlay of pre-operative models. This thesis provides a systematic approach for estimating these two pieces of information based on a pure vision Simultaneous Localization And Mapping (SLAM). We decouple the dense reconstruction from the camera trajectory estimation, resulting in a system that combines the accuracy and robustness of feature-based SLAM with the more complete reconstruction of direct SLAM methods. The proposed solutions in this thesis have been validated on real porcine sequences from different datasets and proved to be fast and do not need any external tracking hardware nor significant intervention from medical staff. The sole input is video frames of a standard monocular endoscope.

Le développement de la chirurgie laparoscopique entraîne de nouveaux défis pour le chirurgien, sa perception visuelle et tactile du site opératoire étant modifiée par rapport à son expérience antérieure. De nombreux dispositifs ont été développés autour de la procédure chirurgicale afin d'aider le chirurgien à réaliser le geste avec la meilleure qualité possible. Ces dispositifs visent à permettre au chirurgien de mieux percevoir le contexte dans lequel il intervient, à planifier de façon optimale la stratégie opératoire et à l'assister lors de la réalisation de son geste. La conception d'un système d'analyse de la procédure chirurgicale, permettant d'identifier des situations à risque et d'améliorer la qualité du geste, est un enjeu majeur du domaine des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur. L'évaluation de la qualité du geste explore plusieurs composantes de sa réalisation : les habiletés techniques du chirurgien, ainsi que ses connaissances théoriques et sa capacité de jugement. L'objectif de cette thèse était de développer une méthode d'évaluation de la qualité technique des gestes du chirurgien à partir de connaissances à priori, qui soit adaptée aux contraintes spécifiques du bloc opératoire sans modifier l'environnement du chirurgien. Cette évaluation s'appuie sur la définition de métriques prédictives de la qualité du geste chirurgical, dérivées des trajectoires des instruments au cours de la procédure. La première étape de ce travail a donc consisté en la mise au point d'une méthode de suivi de la position des instruments laparoscopiques dans la cavité abdominale au cours de la chirurgie, à partir des images endoscopiques et sans ajout de marqueurs. Ce suivi combine des modèles géométriques de la caméra, de l'instrument et de son orientation, ainsi que des modèles statistiques décrivant les évolutions de cette dernière. Cette méthode permet le suivi de plusieurs instruments de laparoscopie dans des conditions de banc d'entraînement, en temps différé pour le moment. La seconde étape a consisté à extraire des trajectoires des paramètres prédictifs de la qualité du geste chirurgical, à partir de régressions aux moindres carrés partiels et de classifieurs k-means. Plusieurs nouvelles métriques ont été identifiées, se rapportant à la coordination des mains du chirurgien ainsi qu'à l'optimisation de son espace de travail. Ce dispositif est destiné à s'intégrer dans un système plus large, permettant d'apporter au chirurgien, en temps réel, des informations contextualisées concernant son geste, en fusionnant par exemple les données issues de la trajectoire à des données multi-modales d'imagerie per-opératoire.