PhD supervisions B. Bayle
Fadi Alyousef Almasalmah Sécurité des gestes chirurgicaux télé-opérés à retour d'effort 2024 (http://theses.fr/s301883)
Financement : bourse région Grand Est et Labex CAMI
Co-encadrant : Hassan Omran, Chao Liu (LIRMM)
Directeurs : Bernard Bayle, Florent Nageotte
Guillaume Lods Planning and control algorithms for continuum robots 2024 (https://www.theses.fr/s298750)
Financement : ANR JCJC MACROS (Benoit Rosa, Robots continus multi-actionnés pour la chirugie mini-invasive)
Co-encadrant : Benoit Rosa
Directeurs : Bernard Bayle, Florent Nageotte
Thibault Poignonec Commande partagée pour la télémanipulation en chirurgie minimalement invasive 2022 (http://www.theses.fr/s270395)
Financement : bourse région Grand Est et Labex CAMI
Co-encadrant : Nabil Zemitti (LIRMM)
Directeurs : Bernard Bayle, Florent Nageotte
Paul Baksic Assistance robotique aux procédures percutanées chirurgicales dans les systèmes déformables 2024 (http://theses.fr/s270293)
Financement : bourse région Grand Est et Labex CAMI
Co-encadrant : Hadrien Courtecuisse
Directeur : Bernard Bayle
Julien Garnon Assistance à l'injection de larges volumes du ciment 2020 (http://theses.fr/s212133)
La cimentoplastie extra-rachidienne est une intervention percutanée guidée par l’image qui consiste à injecter du ciment acrylique, du polymethylmétacrylate (PMMA) le plus souvent, au sein d’un os pathologique. Le but est non seulement de traiter la douleur mais aussi de renforcer la tenue mécanique de l’os notamment au niveau du bassin. Dans cet optique, le volume de ciment et la technique d’injection pourraient être des facteur prédictifs de succès du geste. Le but de ce travail est de faire un état de l’art sur la cimentoplastie extra-rachidienne, le PMMA et sur la biomécanique du bassin afin d’identifier les axes potentiels de développement de la technique. Une étude des pratiques cliniques est également réalisée. S’en suit la présentation des résultats de travaux précliniques sur l’influence du volume de ciment et de la technique d’injection d’un volume de PMMA supérieur à 10 ml. Puis 3 axes d’assistance à l’injection d’un volume de plus de 10 ml sont présentés et évalués.
Financement propre (Praticien Hospitalier)
Co-encadrante : Laurence Meylheuc
Directeur : Bernard Bayle
Maciej Bednarczyk Commande avancée des robots collaboratifs en considérant un modèle dynamique de l'interaction homme-robot 2020 (http://theses.fr/s189327)
En raison de l'intérêt croissant pour l'utilisation de systèmes robotiques dans un espace de travail partagé avec des opérateurs humains, le développement de robots collaboratifs met l'interaction Homme-robot au centre des préoccupations des roboticiens. Pour cette raison, le développement de nouveaux outils de contrôle permettant la gestion des interactions est devenu un sujet de recherche important. Ainsi, la conception de solutions améliorant la dynamique d'interaction et garantissant l'intégrité de l’opérateur est d’un intérêt particulier. Dans cette thèse, plusieurs outils de contrôle pour la robotique collaborative sont proposés. Les problématiques abordées visent notamment à garantir simultanément la compliance des robots tout en gérant des contraintes, ou à modifier la dynamique d'interaction de manière sûre. L’utilisation de bio-signaux afin d’améliorer la collaboration Homme-robot est également étudiée, pour évaluer l'intention de l’utilisateur. Cet ensemble de problématiques conduit à la conception de contrôleurs dédiés. Deux preuves de concept d’applications médicales utilisant les outils proposés sont développées pour l'insertion autonome d'aiguilles en radiologie interventionnelle et pour la rééducation bimanuelle.
Financement : allocation de recherche
Co-encadrant : Hassan Omran
Directeur : Bernard Bayle
François Schmitt Perception et restitution de la raideur des tissus dans les procédures médicales et chirurgicales minimalement invasives 2019 (http://theses.fr/2019STRAD033)
Le contexte de cette thèse est le développement d’outils pour améliorer la perception de la raideur des tissus dans le cadre de la chirurgie laparoscopique assistée par comanipulation. Lors de procédures manuelles, cette perception est distordue, notamment par l’effet levier, conséquence des contraintes cinématiques imposées par le trocart. Cette thèse s’articule ainsi autour de deux parties. Dans une première partie, nous étudions l’effet levier et les distorsions qu’il produit dans le cadre d’un outil comanipulé. Nous y introduisons ainsi un modèle permettant l’analyse en raideur d’un outil comanipulé par un chirurgien et un robot. Sur cette base, nous développons une stratégie de compensation pour laquelle nous avons mis en place une expérience de validation. Dans une deuxième partie, nous abordons la conception d’une nouvelle architecture à cinématique RCM, intégrant structure et actionnement pour des applications de robotique légère. Nous présentons notamment une démarche de conception de systèmes origamis articulés produits à l’aide de procédés de fabrication multi-matériaux.
Financement : bourse région Alsace et Labex CAMI
Co-encadrants : Laurent Barbé, Olivier Piccin, G. Morel (ISIR)
Directeur : Bernard Bayle
Nicole Lepoutre Caractérisation et identification de l'injection de ciment orthopédique pour la vertébroplastie télé-opérée en radiologie interventionnelle 2016 (http://theses.fr/2016STRAD049)
La vertébroplastie percutanée est une intervention non chirurgicale et peu invasive qui consiste à injecter, sous contrôle radioscopique, un ciment orthopédique dans le corps vertébral. Malgré son efficacité, celle-ci présente quelques inconvénients non négligeables. Le premier est dû au ciment orthopédique qui est injecté pendant sa polymérisation. Au début, sa faible viscosité augmente le risque de fuite hors de la vertèbre traitée, ce qui peut provoquer de lourdes complications. Ensuite, la variation rapide de viscosité limite la durée. Le second désagrément concerne le contrôle par fluoroscopie à rayons X qui expose le praticien de manière prolongée. Ainsi, l’enjeu de ce projet est de proposer aux radiologues un nouveau système d’injection à distance avec retour d’effort sur lequel la viscosité du ciment est régulée pendant l’injection. Le développement de ces aspects permettra la radioprotection des praticiens, une réduction des risques de fuite et une durée d’injection allongée.
Financement : allocation de recherche unistra (ED MS2I)
Co-encadrantes : Laurence Meylheuc, Iuliana Bara
Directeur : Bernard Bayle
Nitish Kumar Design and development of devices for robotized needle insertion procedures 2014 (http://www.theses.fr/2014STRAD024)
Ces travaux de thèse apportent plusieurs contributions à la conception de dispositifs d'assistance robotisés pour la réalisation de procédures d'insertion d'aiguille sous imageur à rayons X. Partant de la tâche de positionnement et d'orientation d'une aiguille, plusieurs architectures mécaniques inédites à quatre degrés de liberté ont été proposées. Un algorithme de synthèse dimensionnelle a été conçu pour calculer les paramètres structuraux de ces mécanismes en étudiant leurs singularités, tout en tenant compte des contraintes antagonistes de compacité du système, de capacité d'actionnement et de taille d'espace de travail. Une décomposition modulaire du dispositif d'assistance a permis de proposer des solutions pour un outil dédié à l'insertion d'aiguille avec retour d'effort. Cet outil comporte un dispositif d'insertion, un système de préhension d'aiguille et un capteur d'effort spécifique pour le retour d'effort.
Financement : Carnot Santé Numérique et IHU Strasbourg
Co-encadrant : Olivier Piccin
Directeur : Bernard Bayle
Laure Esteveny Vers un actionnement sûr pour la radiologie interventionnelle robotisée 2014 (http://www.theses.fr/2014STRAD015)
En radiologie interventionnelle, l’assistance robotisée permet de limiter l’exposition du praticien aux rayons X et d’apporter plus de précision pour effectuer des opérations complexes. La présence de robots dans un environnement humain pose alors la question de la sécurité du patient et de l’équipe médicale, que ce soit lors d’interactions ou de manipulations. Dans cette thèse, nous nous intéressons dans un premier temps aux problématiques de sûreté. Une structure d’actionnement intrinsèquement sûre est proposée. Le prototype réalisé permet d’effectuer des tâches de positionnement en mode automatique. Parallèlement, une stratégie de guidage basée sur une approche passive est proposée. Un système à raideur variable permet d’imposer un effort résistif variable à l’utilisateur en vue de contraindre son geste. Dans une deuxième partie, nous étudions la possibilité d’intégrer de tels systèmes sur un dispositif à plusieurs degrés de liberté, répondant au problème de placement d’aiguille.
Financement : bourse région Alsace
Co-encadrant : Laurent Barbé
Directeur : Bernard Bayle
Salih Abdelaziz Développement d'un système robotique pour la radiologie interventionnelle sous IRM 2012 (http://www.theses.fr/2012STRAD034)
La réalisation de gestes percutanés dans l’IRM ouvre la voie à des pratiques médicales prometteuses. En revanche, l’utilisation de l’IRM reste à ce jour limitée, et ce malgré l’intérêt en terme de qualité d’image. Cela est dû principalement à l’étroitesse du tunnel et à la complexité des gestes réalisés. Pour rendre accessibles de telles pratiques, une assistance robotique semble très pertinente. Pour le concepteur, la réalisation d’un système robotisé compatible IRM n’est pas une tâche facile, étant donné l’espace disponible et la présence d’un champ magnétique intense. C'est dans ce contexte que nous avons développé un assistant robotique, MRGuide, dédié aux traitements du cancer de la prostate dans l’IRM. Il s'agit d'un manipulateur à câbles avec un actionnement déporté. Dans ce travail, de nombreuses contributions menant à la réalisation de ce prototypes ont présentées. Parmi celles‐ci, une instrumentation originale pour estimer la tension des câbles est proposée. Cette instrumentation est basée sur l’utilisation d’une structure en treillis, de mécanismes compliants et de capteurs de déplacement à technologie optique pour assurer la compatibilité avec le scanner. Pour optimiser la géométrie du robot et faciliter son intégration dans l'IRM, une démarche de conception des robots à câbles instrumentés est développée. Cette démarche est basée sur une approche par intervalles. D'autres contributions relatives à la caractérisation de l'espace de travail des robots à câbles instrumentés, à l'étalonnage des capteurs de tension et au développement d'une stratégie de commande adaptée au dispositif sont décrites.
Financement : allocation de recherche unistra (ED MS2I)
Co-encadrant : Pierre Renaud
Directeur : Michel de Mathelin
Mathieu Joinie-Maurin Téléchirurgie robotisée au contact d'organes mobiles 2012 (http://www.theses.fr/2012STRAD017)
Dans les procédures médicales et chirurgicales robotisées un des problèmes principaux vient des mouvements physiologiques du patient et de ses organes. En particulier, les mouvements liés à la respiration peuvent avoir une grande amplitude et donc perturber considérablement la réalisation de gestes précis et sûrs. Pour un robot interagissant avec un patient, il est donc naturel d'envisager une compensation de ces mouvements, notamment respiratoires. Dans l'état actuel des connaissances, différentes expériences de compensation active de mouvement ont été proposées et réalisées avec succès. Dans l'équipe AVR, nous avons démontré la faisabilité d'une compensation active des mouvements physiologiques par asservissement visuel, dans le cas des mouvements respiratoires, puis de mouvements cardiaques.
La superposition d'un geste médical exécuté par un robot à cette compensation active a été proposée récemment. Les travaux existant dans le domaine restent pourtant très limités. En particulier l'interaction robot-patient avec prise en compte des efforts demeure un sujet ouvert à ce jour. Différents problèmes se posent dans le cadre d'une telle procédure : i) la mesure d'effort et la séparation des composantes de l'effort liées à la respiration de celles liées à l'interaction outil-organe ; ii) la définition d'une loi de commande au contact combinant les informations obtenues à l'aide d'une caméra avec celles obtenues avec le capteur d'effort ; iii) l'implantation d'une telle loi de commande dans un schéma de téléopération avec retour d'effort. La résolution de ce problème permettrait au praticien d'effectuer un geste chirurgical en percevant les interactions avec les organes, tout en observant sur son écran une scène quasi immobile, et donc dans laquelle il est plus facile d'accomplir les gestes.
Financement : Bourse doctorant CNRS (ex BDI) et région Alsace
Directeur : Jacques Gangloff
Ahmed Ayadi Injection automatique dans le petit animal guidée par vision 2008 (http://www.theses.fr/2008STR13065)
L’objectif de ce travail de thèse est la conception et le développement d’un système d’insertion robotisée d’aiguille pour le petit animal. Le dispositif proposé se compose d’un scanner à rayons X, d’un robot et d’un système de vision. Dans le protocole proposé, l’animal attaché à son lit, est passé au scanner afin d’acquérir son modèle CT. Le biologiste définit alors l’étape d’insertion en choisissant deux points dans les données CT : le point d’entrée au niveau de la peau et la cible à atteindre. Ensuite, l’animal et son lit sont déplacés hors du scanner et placés devant le robot. Ce protocole nécessite deux recalages. Le premier permet d’identifier la position de l’animal par rapport au robot suite à son déplacement. Ainsi, les deux points choisis par le biologiste dans les images scanner peuvent être définis dans le repère du robot. La solution proposée est basée sur la projection de lumière structurée sur une cible de recalage. Cette dernière est identifiée également dans les images scanner. Le deuxième recalage consiste à positionner et orienter d’une manière automatique et précise l’aiguille par rapport à la cible. Les deux méthodes proposées sont indépendantes du modèle d’aiguille et de sa fixation au robot. La première méthode proposée est basée sur la création d’une mire virtuelle obtenue suite au déplacement du robot avec un pas fixe et suite à l’extraction de l’aiguille dans l’image caméra. Cette solution conduit à une procédure longue, dont la précision n’a pas été jugée suffisante. La seconde approche proposée est basée sur l’asservissement visuel 2D stéréoscopique. Les paramètres visuels sont extraits directement des images de l’aiguille et tiennent compte de leur redondance. Les premiers tests effectués montrent une précision inférieure à 1 mm et 0,05 rad pour le positionnement de l’aiguille.
Financement : Bourse région Alsace + IRCAD
Directeurs : Pierre Graebling, Jacques Gangloff
Cyrille Lebossé Stimulation magnétique transcrânienne robotisée guidée par imagerie médicale 2008 (http://www.theses.fr/2008STR13046)
Ce projet a pour but de concevoir un système robotique dédié à la Stimulation Magnétique Transcrânienne (SMT) guidée par imagerie. La SMT est une technique non-invasive qui se développe de plus en plus pour le traitement de pathologies importantes comme la dépression nerveuse ou les troubles obsessionnels compulsifs. Ce traitement nécessite le déplacement et l’orientation de manière précise d’une sonde électromagnétique à la surface du crâne, afin de produire l’excitation requise des sillons corticaux cibles. Les régions cibles et la trajectoire que devra suivre la sonde sont déterminées au préalable sur une reconstruction 3D du cerveau à partir d’images IRM. A l’heure actuelle, le déplacement de la sonde est effectué manuellement par le médecin grâce à l’utilisation d’un système de neuro-navigation, ce qui rend très difficile la mise en place d’une évaluation clinique rigoureuse des bienfaits de la SMT. Ce projet vise ainsi à réaliser un système robotique, ainsi que sa commande, capable de remplacer le neurologue durant une séance de SMT, tout en garantissant la sécurité et la précision requises par un traitement médical automatique de ce type.
Financement : allocation de recherche unistra (ED MS2I)
Co-encadrant : Pierre Renaud
Directeur : Michel de Mathelin
Laurent Barbé Téléopération avec retour d'efforts pour les interventions percutanées 2007 (http://www.theses.fr/2007STR13082)
La radiologie interventionnelle est une technique chirurgicale minimallement invasive qui permet d'atteindre des organes à traiter avec des aiguilles, guidées à partir d'images scanner. Bien que cette technique offre de nombreux avantages, l'exposition aux rayons X qu'elle occasionne est nocive pour le radiologue. Pour résoudre ce problème, nousavons développé un système de téléopération avec retour d'efforts. Son cahier des charges a été établi à partir d'expériences in-vivo, qui ont notamment conduit à la modélisation des forces lors d'une insertion. Le système développé répond aux contraintes liées à l'utilisation des rayons X et aux besoins des praticiens. Une étude approfondies a permis de déterminer la commande bilatérale la mieux adaptée à l'application. Pour améliorer la perception des efforts, deux approches ont été étudiées. La première est une synthèse automatique de la commande en effort côté maître. La seconde vise à accroître la sensation de passage entre les tissus.
Financement : BDI/région Alsace
Directeur : Michel de Mathelin
Benjamin Maurin Conception et réalisation d’un robot d’insertion d’aiguille pour les procédures percutanées sous imageur scanner 2005 (http://www.theses.fr/2005STR13211)
Les interventions radiologiques percutanées consistent en l'insertion d'aiguilles dans le corps d'un patient afin d'atteindre des cibles anatomiques particulières telles que des tumeurs.
Ces procédures, nécessitant une grande précision, obligent le radiologue à surveiller l'insertion des aiguilles en utilisant des dispositifs d'imagerie temps-réel tels que les scanners tomographiques à rayons X. Actuellement, ces procédures sont coûteuses en temps, ont une précision de l'ordre du centimètres, et surtout exposent le radiologue à des doses considérables de rayons X. La robotique permet de remplacer le bras du radiologue dans la phase d'insertion d'une aiguille sous contrôle scanner. La robotisation a l'avantage de protéger le praticien, tout en offrant des possibilités supplémentaires de navigation, de guidage, et donc de précision. Nous avons construit un robot compatible mécaniquement à ce type d'opération. La commande du robot est éffectuée par un PC sous en environnement temps-réel. Le robot utilise des moteurs piézo-électriques, et une planification de trajectoire avec évitemment des auto-collisions. La boucle de retour se fait principalement par le chirurgien, selon une structure 'Maître-esclave'. Pour assurer un positionnement fiable par asservissement en position, nous estimons la position du robot dans le repère de l'image afin d'obtenir des consignes en position et en orientation de l'aiguille. Cette estimation de pose 3D utilise le principe de la stéréotaxie à des marqueurs tridimensionnels.
Financement : Bourse région Alsace
Directeur : Michel de Mathelin