Contribution to robotized beating heart surgery. Ultrasound image-based visual servoing through nonlinear model predictive control.
Contribution à l'aide aux gestes pour la chirurgie cardiaque à coeur battant. Guidage échographique par asservissement prédictif non linéaire.
Résumé
This work is concerned with robotic assisted beating heart surgery. First, a new image-based visual servoing scheme based on Nonlinear Model Predictive Control is proposed. With this controler, contraints of the system can naturally be taken into account by simultaneously handle the trajectory planification and the control. Experiments on a robotic platform with a classical camera validate the proposed approach. This scheme has also been adapted for echographic vision. It allows to control tool tip motion while ensuring intersection constraint with the echographic plane. Experimental validations highlight the efficientcy of the control scheme. This second part of the work takes place in a project of robotic assisted endovascular surgery, particularly for valve surgery. In this context, the real time localisation of the mitral valve is realized through a new method based on the tracking of the junction of the leaflet and the heart wall and a 2 dof model of the valve. The porposed algorithm has been valided with in vivo sequence. In the last part, in a first evaluation for heart motion compensation, we focus on 3D heart motion estimation using in vivo endoscopic images.
Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'assistance robotisée pour la chirurgie cardiaque à coeur battant. Une première contribution est la synthèse d'une nouvelle architecture d'asservissement visuel dans l'image en utilisant une commande prédictive non linéaire. Cette structure permet de respecter les contraintes du système en gérant simultanément la planification de trajectoire et le contrôle. La loi de commande a été validée sur une plate-forme robotique en vision standard. La structure a également été adaptée pour la vision échographique. Elle permet ainsi de contrôler les déplacements d'un outil en imposant que celui-ci respecte la contrainte d'intersection avec le plan échographique. Des expérimentations ont également permis de montrer l'efficacité de cette loi de commande. Cette seconde contribution s'intègre dans le cadre de l'assistance à la chirurgie cardiaque endovasculaire, et plus particulièrement la réparation de valve mitrale. Dans ce contexte, la localisation de la valve mitrale en temps réel est obtenue en utilisant une méthode qui repose sur la détection de la jonction entre la paroi et la valve et également d'un modèle à 2 ddl de la valve. L'algorithme proposé a été validé sur une séquence in vivo. Enfin, une estimation in vivo des déplacements 3D du coeur à partir des images endoscopiques a été proposée et représente une première étape d'un projet de compensation automatique des mouvements du coeur pour la chirurgie coronarienne.
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