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These past twenty years, a new surgical procedure has emerged to replace laparotomy (open surgery). Minimally Invasive Surgery (MIS) allows the surgeon to operate without cutting open the patient. This kind of surgery, which consists in the insertion of surgical tools through artificial (trocar) or natural (anus, vagina) orifices, is spreading rapidly.Even though this technique presents numerous advantages for the patient (a much shorter operation and recuperation time, an almost scar-free surgery, etc), it presents many constraints for the surgeon (reversal of movement, indirect vision, muscle fatigue, etc).Many robotic devices have been developed to improve the working conditions of the surgeons. These solutions are based on a teleoperation or a co-manipulation of the surgical tool. The lever arm model has been used in the control of the instrument through an orifice.In this thesis, it is shown that a small calibration error in the lever arm problem can lead to a big static error and even to a divergence during automatic displacements in a Minimally Invasive Surgery context. To minimize the efforts applied to the insertion area, this thesis focuses on a free-wrist anthropomorphic robot.To automatically move with accuracy, the interaction between the robot wrist and the tool point needs to be known at every time step. Two estimators have been developed and implemented in a control law for a wrist free anthropomorphic robot. This control law has been tested on a experimental setup simulating the insertion of a surgical tool through an orifice.The need to take the tissues deformations into account once demonstrated for surgeries such as prostate or uterine biopsy, the control law has been used in a visual servoing loop based on ultrasound images. This visual servoing can be used to control the position of an ultrasound probe for prostate biopsies.; Depuis une vingtaine d’années, une nouvelle procédure de chirurgie a vu le jour afin de remplacer la laparotomie (ouverture complète du patient). La chirurgie mini-invasive permet en effet au chirurgien d’opérer un patient sans avoir à l’inciser entièrement. Cette chirurgie consiste à insérer des instruments chirurgicaux à travers des orifices artificiels (trocart) ou naturels (anus, vagin). Cette nouvelle procédure est en pleine expansion.Bien qu’engendrant de nombreux avantages pour le patient (opération plus courte, temps de récupération plus court, quasi-absence de cicatrice, etc) elle entraîne de nombreuses contraintes pour le chirurgien (inversion du mouvement, vision indirecte, fatigue musculaire, etc).Afin d’ameliorer les conditions de chirurgie pour le praticien, differents systèmes robotisés ont été développés. Ces solutions permettent de comanipuler ou télémanipuler l’outil chirurgical en se basant sur le modèle du bras de levier pour traduire le problème de contrôle d’un instrument à travers un orifice.Dans cette thèse, il est montré qu’une petite erreur de calibration dans le modèle du bras de levier peut entraîner une grande erreur statique voir une divergence lors de la réalisation de déplacements automatiques appliquée à la chirurgie mini-invasive. Afin d’assurer une minimisation des efforts appliqués sur la zone d’insertion les travaux se concentrent sur les robots anthropomorphiques à poignet libre.Dans le but de réaliser des délacements automatiques précis, il faut être capable de connaître à tout instant et le plus précisément possible l’interaction entre le poignet du robot et la pointe de l’instrument. Pour cela, deux estimateurs sont développés, implémentés dans une commande sur un robot anthropomorphique à poignet libre et testés sur un set-up expérimental simulant l’insertion d’un instrument chirurgical à travers un orifice.Après avoir démontré la nécessité de prendre en compte les déformations des tissus pour des opérations telles que la biopsie de la prostate, la commande est utilisée dans une boucle d’asservissement visuel basée sur des images échographiques. Cet asservissement visuel permet de contrôler le positionnement d’une sonde échographique pour des biopsies de prostate.

These past twenty years, a new surgical procedure has emerged to replace laparotomy (open surgery). Minimally Invasive Surgery (MIS) allows the surgeon to operate without cutting open the patient. This kind of surgery, which consists in the insertion of surgical tools through artificial (trocar) or natural (anus, vagina) orifices, is spreading rapidly.Even though this technique presents numerous advantages for the patient (a much shorter operation and recuperation time, an almost scar-free surgery, etc), it presents many constraints for the surgeon (reversal of movement, indirect vision, muscle fatigue, etc).Many robotic devices have been developed to improve the working conditions of the surgeons. These solutions are based on a teleoperation or a co-manipulation of the surgical tool. The lever arm model has been used in the control of the instrument through an orifice.In this thesis, it is shown that a small calibration error in the lever arm problem can lead to a big static error and even to a divergence during automatic displacements in a Minimally Invasive Surgery context. To minimize the efforts applied to the insertion area, this thesis focuses on a free-wrist anthropomorphic robot.To automatically move with accuracy, the interaction between the robot wrist and the tool point needs to be known at every time step. Two estimators have been developed and implemented in a control law for a wrist free anthropomorphic robot. This control law has been tested on a experimental setup simulating the insertion of a surgical tool through an orifice.The need to take the tissues deformations into account once demonstrated for surgeries such as prostate or uterine biopsy, the control law has been used in a visual servoing loop based on ultrasound images. This visual servoing can be used to control the position of an ultrasound probe for prostate biopsies., Depuis une vingtaine d’années, une nouvelle procédure de chirurgie a vu le jour afin de remplacer la laparotomie (ouverture complète du patient). La chirurgie mini-invasive permet en effet au chirurgien d’opérer un patient sans avoir à l’inciser entièrement. Cette chirurgie consiste à insérer des instruments chirurgicaux à travers des orifices artificiels (trocart) ou naturels (anus, vagin). Cette nouvelle procédure est en pleine expansion.Bien qu’engendrant de nombreux avantages pour le patient (opération plus courte, temps de récupération plus court, quasi-absence de cicatrice, etc) elle entraîne de nombreuses contraintes pour le chirurgien (inversion du mouvement, vision indirecte, fatigue musculaire, etc).Afin d’ameliorer les conditions de chirurgie pour le praticien, differents systèmes robotisés ont été développés. Ces solutions permettent de comanipuler ou télémanipuler l’outil chirurgical en se basant sur le modèle du bras de levier pour traduire le problème de contrôle d’un instrument à travers un orifice.Dans cette thèse, il est montré qu’une petite erreur de calibration dans le modèle du bras de levier peut entraîner une grande erreur statique voir une divergence lors de la réalisation de déplacements automatiques appliquée à la chirurgie mini-invasive. Afin d’assurer une minimisation des efforts appliqués sur la zone d’insertion les travaux se concentrent sur les robots anthropomorphiques à poignet libre.Dans le but de réaliser des délacements automatiques précis, il faut être capable de connaître à tout instant et le plus précisément possible l’interaction entre le poignet du robot et la pointe de l’instrument. Pour cela, deux estimateurs sont développés, implémentés dans une commande sur un robot anthropomorphique à poignet libre et testés sur un set-up expérimental simulant l’insertion d’un instrument chirurgical à travers un orifice.Après avoir démontré la nécessité de prendre en compte les déformations des tissus pour des opérations telles que la biopsie de la prostate, la commande est utilisée dans une boucle d’asservissement visuel basée sur des images échographiques. Cet asservissement visuel permet de contrôler le positionnement d’une sonde échographique pour des biopsies de prostate.

Minimally Invasive Surgery (MIS) allows the surgeon to operate without cutting open the patient. This kind of surgery, which consists in the insertion of surgical tools through artificial or natural orifices, is spreading rapidly. Even though this technique presents numerous advantages for the patient, it presents many constraints for the surgeon. Many robotic devices have been developed to improve the working conditions of the surgeons. These solutions are based on a teleoperation or a co-manipulation of the surgical tool. The lever arm model has been used in the control of the instrument through an orifice. In this thesis, it is shown that a small calibration error in the lever arm problem can lead to a big static error and even to a divergence during automatic displacements in a Minimally Invasive Surgery context. To minimize the efforts applied to the insertion area, this thesis focuses on a free-wrist anthropomorphic robot. To automatically move with accuracy, the interaction between the robot wrist and the tool point needs to be known at every time step. Two estimators have been developed and implemented in a control law for a wrist free anthropomorphic robot. This control law has been tested on a experimental setup simulating the insertion of a surgical tool through an orifice. The need to take the tissues deformations into account once demonstrated for surgeries such as prostate or uterine biopsy, the control law has been used in a visual servoing loop based on ultrasound images. This visual servoing can be used to control the position of an ultrasound probe for prostate biopsies.; La chirurgie mini-invasive (MIS) permet au chirurgien d'opérer un patient sans avoir à l'inciser entièrement. Cette chirurgie consiste à insérer des instruments chirurgicaux à travers des orifices artificiels ou naturels. Bien que très avantageux pour le patient, elle entraîne de nombreuses contraintes pour le chirurgien. Afin d'améliorer les conditions de chirurgie pour le praticien, des systèmes robotisés ont été développés. Ces solutions permettent de comanipuler ou télémanipuler l'outil chirurgical en se basant sur le modèle du bras de levier pour traduire le problème de contrôle d'un instrument à travers un orifice. Ces travaux montrent qu'une petite erreur de calibration dans le modèle de la littérature peut entraîner une grande erreur statique et une divergence lors de déplacements automatiques en MIS. Pour assurer une minimisation des efforts appliqués sur la zone d'insertion, la thèse se concentre sur les robots anthropomorphiques à poignet libre. Pour réaliser des déplacements automatiques précis, il faut pouvoir connaître à tout instant et le plus précisément possible l'interaction entre le poignet du robot et la pointe de l'instrument. Pour cela, deux estimateurs sont implémentés dans une commande sur un robot à poignet libre et testés sur un set-up expérimental simulant l'insertion d'un instrument chirurgical à travers un orifice. Après avoir démontré la nécessité de prendre en compte les déformations des tissus pour des opérations telles que la biopsie de la prostate, la commande est utilisée dans une boucle d'asservissement visuel. Cet asservissement visuel permet de contrôler le positionnement d'une sonde échographique pour des biopsies de prostate.

This work details the setup of a 3D vision component, itself par of a larger framework developped at the LIRMM and dedicated to motion compensation on the beating heart. Our goal was to track the motion of the heart at real-time and evaluate the 3D position of the surface of the organ. These informations are obtained from video data from one or two cameras. A first contribution is a method to choose texture-based descriptors to robustly characterize the surface of the organ and track it. The other main contribution is a tracking method, based on both these descriptors and pattern matching, that showed good results on in-vivo experiments. This method is applied on real-life images to compute 2D and 3D motion, and its results are compared with the ones of other existing approaches.; Ces travaux mettent en place les bases d'une architecture de vision 3D pour un projet de plate-forme robotique de compensation de mouvements cardiaques, pour la chirurgie coronarienne mini-invasive à cœur battant. Les objectifs recherchés sont le suivi et la reconstruction en temps réel des mouvements du cœur, à partir des images fournies par une ou deux caméras. Une première contribution est la sélection d'un ensemble de descripteurs optimaux pour l'analyse de la texture du cœur, réalisée par des méthodes d'analyse statistique multidimensionnelle. Ce jeu de descripteurs est alors mis en œuvre dans un algorithme original de suivi hybride, qui utilise à la fois des informations issues de l'analyse de texture et de la mise en correspondance de motifs. Cet algorithme est évalué sur des images de synthèse ainsi que sur des images acquises in vivo grâce à une plate-forme d'acquisition haute fréquence développée pour l'occasion. Cette évaluation montre l'avantage de coupler l'information de motif avec l'information de texture au niveau de la robustesse du suivi vis-à-vis des déformations de l'organe. Nous proposons ensuite d'appliquer ces méthodes à la reconstruction 3D des mouvements du cœur par stéréo-vision. Cette méthode utilise l'analyse de texture afin d'améliorer le recalage des données entre les vues. Des résultats sont présentés sur des images expérimentales afin d'illustrer la méthode.

This work details the setup of a 3D vision component, itself par of a larger framework developped at the LIRMM and dedicated to motion compensation on the beating heart. Our goal was to track the motion of the heart at real-time and evaluate the 3D position of the surface of the organ. These informations are obtained from video data from one or two cameras. A first contribution is a method to choose texture-based descriptors to robustly characterize the surface of the organ and track it. The other main contribution is a tracking method, based on both these descriptors and pattern matching, that showed good results on in-vivo experiments. This method is applied on real-life images to compute 2D and 3D motion, and its results are compared with the ones of other existing approaches.; Ces travaux mettent en place les bases d'une architecture de vision 3D pour un projet de plate-forme robotique de compensation de mouvements cardiaques, pour la chirurgie coronarienne mini-invasive à cœur battant. Les objectifs recherchés sont le suivi et la reconstruction en temps réel des mouvements du cœur, à partir des images fournies par une ou deux caméras. Une première contribution est la sélection d'un ensemble de descripteurs optimaux pour l'analyse de la texture du cœur, réalisée par des méthodes d'analyse statistique multidimensionnelle. Ce jeu de descripteurs est alors mis en œuvre dans un algorithme original de suivi hybride, qui utilise à la fois des informations issues de l'analyse de texture et de la mise en correspondance de motifs. Cet algorithme est évalué sur des images de synthèse ainsi que sur des images acquises in vivo grâce à une plate-forme d'acquisition haute fréquence développée pour l'occasion. Cette évaluation montre l'avantage de coupler l'information de motif avec l'information de texture au niveau de la robustesse du suivi vis-à-vis des déformations de l'organe. Nous proposons ensuite d'appliquer ces méthodes à la reconstruction 3D des mouvements du cœur par stéréo-vision. Cette méthode utilise l'analyse de texture afin d'améliorer le recalage des données entre les vues. Des résultats sont présentés sur des images expérimentales afin d'illustrer la méthode.

This work concerns robotic assisted minimally invasive surgery. Nowadays, dedicated robotized systems do not include force feedback to the surgeon. Here, a force feedback teleoperation system is proposed. It is based on a position - position architecture and a slave robot force controller. The architecture enables teleoperation in free space as well as interactions with soft environment. The first contribution is the online environment stiffness estimation to guarantee stability of the system in contact with stiff object. Without considering a contact position, the parameter estimation strategy uses an extended Kalman filter technique with robot modeling errors compensation. The second contribution is the transparency and stability analysis of the force feedback teleoperation system. Based on the transparency and stability trade off, the architecture parameters are updated to guarantee a desired transparency. Experimental results using ex-vivo tissues, have shown good performances in contact with soft and stiff surfaces and for a teleoperated needle insertion task. The force feedback teleoperation scheme is then adapted to the minimally invasive surgery constraints. The first one is the trocar constraint. A secondary task is performed by a virtual null space robot, which attempts to have always the trocar position on the medical instrument. The second considered constraint is the physiological motion compensation during beating heart surgery. A force disturbance rejection control law is performed to compensate the environnement motion. Experimental results have shown the relevance and the effectiveness of the proposed strategies.; Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'assistance robotique pour la chirurgie mini-invasive télé-opérée. L'une des principales limitations des systèmes existants concerne l'absence de restitution des efforts au chirurgien lorsqu'il télé-opère le robot. Ainsi, un système de télé-opération avec retour d'effort est proposé. Il est basé sur une architecture position - position avec une commande en effort du robot esclave. Cette dernière utilise un découplage non-linéaire du robot ainsi que des techniques d'observation et de commande par retour d'état. Des validations expérimentales ont montré les performances de l'architecture lors d'une télé-opération en espace libre et lors d'interactions avec un environnement de faible rigidité. Une première contribution est l'estimation en ligne de la raideur de l'environnement afin de garantir la stabilité du système lors d'interactions avec un environnement rigide. Cette stratégie utilise un filtre de Kalman étendu qui s'affranchit de la position de repos de l'environnement et qui considère une compensation des erreurs de modélisation du robot esclave. La deuxième contribution est l'étude de la transparence et de la stabilité de l'architecture de télé-opération. Une adaptation des paramètres de commande en fonction de la raideur estimée est proposée en considérant un compromis entre ces deux critères. La structure a été validée expérimentalement en considérant un environnement constitué de tissus ex-vivo. Une dernière contribution est l'adaptation de l'architecture de télé-opération avec retour d'effort aux contraintes imposées par la chirurgie mini-invasive. La première est le passage de l'instrument du robot par le trocart. Une architecture de commande utilisant le principe du découplage tâche - posture est alors proposée. La posture permettant le passage par le trocart est contrôlée en considérant la commande en position d'un robot virtuel attaché à l'instrument du robot télé-opéré. La deuxième contrainte considérée est la compensation des mouvements physiologiques. L'objectif étant d'offrir au chirurgien une stabilisation virtuelle de l'organe. L'approche de commande consiste à atténuer les perturbations dans les efforts appliqués sur un environnement en mouvement. La compensation repose sur une commande référencée modèle qui considère que les perturbations atténuées génèrent un déplacement du robot esclave. Des expérimentations ont montré la pertinence et l'efficacité des stratégies proposées.

This work concerns robotic assisted minimally invasive surgery. Nowadays, dedicated robotized systems do not include force feedback to the surgeon. Here, a force feedback teleoperation system is proposed. It is based on a position - position architecture and a slave robot force controller. The architecture enables teleoperation in free space as well as interactions with soft environment. The first contribution is the online environment stiffness estimation to guarantee stability of the system in contact with stiff object. Without considering a contact position, the parameter estimation strategy uses an extended Kalman filter technique with robot modeling errors compensation. The second contribution is the transparency and stability analysis of the force feedback teleoperation system. Based on the transparency and stability trade off, the architecture parameters are updated to guarantee a desired transparency. Experimental results using ex-vivo tissues, have shown good performances in contact with soft and stiff surfaces and for a teleoperated needle insertion task. The force feedback teleoperation scheme is then adapted to the minimally invasive surgery constraints. The first one is the trocar constraint. A secondary task is performed by a virtual null space robot, which attempts to have always the trocar position on the medical instrument. The second considered constraint is the physiological motion compensation during beating heart surgery. A force disturbance rejection control law is performed to compensate the environnement motion. Experimental results have shown the relevance and the effectiveness of the proposed strategies.; Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'assistance robotique pour la chirurgie mini-invasive télé-opérée. L'une des principales limitations des systèmes existants concerne l'absence de restitution des efforts au chirurgien lorsqu'il télé-opère le robot. Ainsi, un système de télé-opération avec retour d'effort est proposé. Il est basé sur une architecture position - position avec une commande en effort du robot esclave. Cette dernière utilise un découplage non-linéaire du robot ainsi que des techniques d'observation et de commande par retour d'état. Des validations expérimentales ont montré les performances de l'architecture lors d'une télé-opération en espace libre et lors d'interactions avec un environnement de faible rigidité. Une première contribution est l'estimation en ligne de la raideur de l'environnement afin de garantir la stabilité du système lors d'interactions avec un environnement rigide. Cette stratégie utilise un filtre de Kalman étendu qui s'affranchit de la position de repos de l'environnement et qui considère une compensation des erreurs de modélisation du robot esclave. La deuxième contribution est l'étude de la transparence et de la stabilité de l'architecture de télé-opération. Une adaptation des paramètres de commande en fonction de la raideur estimée est proposée en considérant un compromis entre ces deux critères. La structure a été validée expérimentalement en considérant un environnement constitué de tissus ex-vivo. Une dernière contribution est l'adaptation de l'architecture de télé-opération avec retour d'effort aux contraintes imposées par la chirurgie mini-invasive. La première est le passage de l'instrument du robot par le trocart. Une architecture de commande utilisant le principe du découplage tâche - posture est alors proposée. La posture permettant le passage par le trocart est contrôlée en considérant la commande en position d'un robot virtuel attaché à l'instrument du robot télé-opéré. La deuxième contrainte considérée est la compensation des mouvements physiologiques. L'objectif étant d'offrir au chirurgien une stabilisation virtuelle de l'organe. L'approche de commande consiste à atténuer les perturbations dans les efforts appliqués sur un environnement en mouvement. La compensation repose sur une commande référencée modèle qui considère que les perturbations atténuées génèrent un déplacement du robot esclave. Des expérimentations ont montré la pertinence et l'efficacité des stratégies proposées.

In order to provide a minimally invasive surgical robot with force feedback, two major difficulties shall be addressed. Firstly, a metrology problem occurs, as it is technologically difficult to directly measure the distal interaction, inside the patient, due to sterilization and size constraints. Secondly, controlling interactions that exhibit unknown geometry and dynamics (as the instrument may contact organs, surgeon, or other instruments) in the particular case where the fulcrum point imposes a kinematic constraint, induces particular difficulties. Within this thesis, these two problems are coped with by the development of an original robotic system, that involves:- a robotic arm with a spherical kinematics,- a force sensor placed outside the patient, which still allows for a fine estimation of the organ-instrument interaction inside the patient,- a force controller which passivity is ensured for any interactions, and which is implemented considering different control modes (explicit feedback, impedance control, teleoperation).A laboratory prototype is developed and used for the validation of all the technological and methodological propositions. Experiments include in vivo validations, from simple tasks to the assistance to a complete cholecystectomy operation., Mettre en oeuvre un retour d'effort pour un système robotique dédié à la chirurgie mini-invasive impose d'adresser deux difficultés principales. La première est d'ordre métrologique, puisqu'il est technologiquement très difficile de procéder à une mesure directe de l'interaction distale à l'intérieur du patient, tout en respectant les contraintes de stérilité et d'encombrement. La seconde concerne le contrôle d'interactions dont la géométrie et la dynamique sont fortement variables et mal connues (contacts avec des organes, le chirurgien, ou d'autres instruments) dans un contexte particulier où la contrainte cinématique induite par le passage des instruments par un point fixe ne permet pas l'asservissement de toutes les composantes du torseur d'interaction.La réponse apportée à ces questions prend ici la forme d'un système robotique bâti autour :- d'un bras compact de cinématique sphérique ;- d'un capteur d'efforts placé à l'extérieur du patient permettant une estimation fine des interactions distales ;- d'une commande en effort dont la passivité est garantie pour toutes les interactions ; celle-ci est déclinée selon plusieurs modes (retour explicite, commande en impédance, téléopération à retour d'efforts).L'ensemble des propositions méthodologiques est validé de façon systématique sur un prototype de laboratoire développé dans le cadre de ce travail. Les expériences incluent des validations in vivo sur animal, depuis des tâches élémentaires jusqu'à l'utilisation du prototype comme "main gauche" pour une opération de cholécystectomie.

We have witnessed since few years the emergence of automated surgery aiming at the improvement of surgical procedures, operating team's working conditions and patient's comfort. This thesis falls within the RNTS national project called EndoXirob, the objective of which is the realization of an automated minimally invasive surgery device.The main objective of our work is dedicated to the conception and realization, using microsystem technologies, of a poly-articulated surgical instrumentation equipped with integrated terminal tools allowing for stress measurement and thermo-coagulant cut of living tissues.Our suggestion makes use of an innovative poly-articulated articulation, similar to the "snake body" type. This articulation, controlled by 4 or 6 wires, is composed of plastic wrist joint connections accompanied by many metallic wires insuring stiffness in both torsion and flexing. Force feedback in tele-operated instrumentation is strongly requested by surgeons. Our work deals with the microsystem conception of a two axis stress sensor to measure pulling forces on tissues in the jaws plane. This microsystem uses two Silicon levels integrating a 4 orthogonal branches gauge and a set of plane electrodes inter-digitized.Tissues cutting and coagulation represents an important part in the surgical act and constitute a good base for the development of an intelligent terminal toolset. We have studied the conception of auto-regulated thermo-heating Silicon blades allow the cutting and the thermo-coagulationo of tissues. Beyond simple cut and stress measurement, we can imagine the integration on surgical tools of other micro-sensors or micro-actuators. It would then be possible to increase the surgical act safety by evaluating, for example, the presence of arterials, blood vessels or nerves in the vicinity of the surgical tool.Finally, we suggest a futurology reflection based on the miniaturization of a portable robot with a compact mechanism driving the terminal articulat ion of the surgical tool. A last reflection evaluates an extreme solution where all the degrees of freedom in the robot are transferred inside; On assiste depuis quelques années à l'émergence d'une robotique médicale proposée pour accroître la précision des actes, améliorer les conditions de travail de l'équipe chirurgicale et le confort du patient. Nos recherches s'inscrivent dans le projet national EndoXiroB du RNTS dont l'objectif est la réalisation d'un ensemble robotisé de chirurgie mini-invasive. Elles sont dédiées à la conception et à la réalisation, en s'appuyant sur les technologies microsystèmes, d' une instrumentation chirurgicale poly-articulée équipée d'outils terminaux intégrés permettant une mesure des efforts et une découpe thermo-coagulante des tissus vivants. Nous présenterons une description complète de notre proposition qui consiste en une articulation poly-articulée innovante, proche du type « corps de serpent ». Cette articulation, commandée par quatre ou six fils, est composée de liaisons rotules plastiques accompagnées par plusieurs fils métalliques assurant à l'ensemble une rigidité en torsion et flexion. Nous décrirons nos travaux sur la conception microsystème d'un capteur d'effort deux axes pour mesurer des forces de tiraillement sur les tissus. Le microsystème utilise deux niveaux de silicium intégrant un corps d'épreuve à quatre branches orthogonales et un ensemble d'électrodes capacitives inter-digitées.Nous exposerons nos premières études sur la conception de lames thermo-chauffantes pour la découpe et la coagulation des tissus. Ces études sont basées sur la réalisation de lames en technologie silicium. Au-delà de la simple découpe et de la mesure des efforts, on peut imaginer d'intégrer d'autres micro-capteurs sur les outils chirurgicaux. Il serait ainsi possible d'augmenter la sécurité de l'acte chirurgical en évaluant, par exemple, la présence d'artères, de vaisseaux ou de nerfs à proximité de l'outil de chirurgie. Pour finir, nous proposerons une réflexion plus prospective basée sur la miniaturisation d'un robot portable intégrant un dispositif compact pour actionner l'a rticulation terminale de l'instrument chirurgical. Au-delà de cette réflexion, une solution extrême consisterait dans le futur à transférer tous les degrés de liberté d'un système robotisé à l'intérieur de la cavité opératoire.

Minimally invasive surgery limits the inflicted trauma on the patient through the use of small incisions. Moreover, taking advantage of robotic assistance considerably enhances the precision of the gestures and the comfort of the surgeon. Nevertheless, many difficulties are still being encountered, such as the identification of the target arteries in the coronary bypass surgery. In this work, we propose to guide the surgeon by superimposing a model of the patient's arteries on the intraoperative endoscopic images. Our approach is defined from the analysis of the intervention and the surgical gesture. First a static model of the coronary tree is obtained from standard imaging systems. The registration with the endoscopic images is then initialized by calibrating the stereoscopic actuated endoscope and registering the external shape of the patient in the operating room. Finaly, this result is refined to take into account the intraoperative shift of the heart and the successive errors. This is done using an original multi-model robust algorithm, based on translating the indications given by the surgeon into measures, which leads to the precision necessary to the guidance. This innovative tool of computer assisted surgery is integrated within a common architecture tested with the Da Vinci robot during many in-vivo experiments.; 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.

Minimally invasive surgery limits the inflicted trauma on the patient through the use of small incisions. Moreover, taking advantage of robotic assistance considerably enhances the precision of the gestures and the comfort of the surgeon. Nevertheless, many difficulties are still being encountered, such as the identification of the target arteries in the coronary bypass surgery. In this work, we propose to guide the surgeon by superimposing a model of the patient's arteries on the intraoperative endoscopic images. Our approach is defined from the analysis of the intervention and the surgical gesture. First a static model of the coronary tree is obtained from standard imaging systems. The registration with the endoscopic images is then initialized by calibrating the stereoscopic actuated endoscope and registering the external shape of the patient in the operating room. Finaly, this result is refined to take into account the intraoperative shift of the heart and the successive errors. This is done using an original multi-model robust algorithm, based on translating the indications given by the surgeon into measures, which leads to the precision necessary to the guidance. This innovative tool of computer assisted surgery is integrated within a common architecture tested with the Da Vinci robot during many in-vivo experiments.; 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.