Compensation des mouvements physiologiques en chirurgie robotisée par commande prédictive

Membres du jury : Michel de Mathelin, Mohamed Boutayeb (président du jury), Etienne Dombre, Mohamed M'Saad, Jacques Gangloff, Luc Soler. Thèse de RobotiqueThere are numerous commercial robotic systems for the assistance of surgical procedures today. Interventions in orthopaedics, neurology, laparoscopic or cardiac surgery may be assisted by computerized mechanical systems. From the first assistance robots which were derived from industrial robots, to current robots, systems for computer-aided surgery have been developping to give large advantages and improved operating conditions to patients and surgeons. This PhD thesis focuses on the surgeon's assistance in robotized minimally invasise surgery. The problem is to have a surgical robot mechanically compensate for the physiological motions of the operated organ or tissue, in order to provide the surgeon with a virtual motionless scene. Physiological motions are disturbances for the surgeon working with a tele-manipulated robot, since he or she has to manually compensate for them when precise gestures have to be executed on the top of an organ or tissue, by manually following the motions when possible. This currently limits the development of, among others, beating heart interventions. The aim of this thesis is to propose a control system that allows a robot to move in a synchronized manner with the organ and therefore follow its motion. This work considers physiological motions that are due to respiratory movements and heart beats. These are periodic with a period that does not change during the procedure. The framework of high-speed, direct visual servoing is used to control the robot motions with help of an endoscopic observation camera taking up to 500 images per second. The robot is controlled in real time using predictive control laws into which simple internal models of the robot and the motions to filter have been included. Two sets of experimental results are presented to illustrate the proposed approach. Compensation of the respiratory motion is considered using the Aesop surgical robot of Computer Motion, Inc. (USA). Beating heart tracking is showed using a prototype of a medical robot from Sinters SA (Toulouse). Laboratory experiments as well as tests in in-vivo surgical conditions have been carried out for both setups.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