Towards the closed-loop command of a robotized camera-holder : benefits of the contextual analysis of endoscopic images.

Vers la commande en boucle fermée d'un robot porte-optique : apport de l'analyse contextuelle d'images endoscopiques.

Sandrine Voros (1)

1 TIMC-IMAG - Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications, Grenoble - UMR 5525

The development of laparoscopy is closely linked to the advances in instrumentation, allowing to combine the efficacy of surgery and a minimally invasive approach. Today, robotic systems can assist a surgeon during a minimally invasive intervention, but their use is still controversial because of their bulkiness, their cost, and the change they might induce to surgical practice. Research trends in this field aim towards a better adaptation of these systems to surgical constraints.

The objective of this Ph.D. Thesis was to control a robotized endoscopic camera holder thanks to " high-level " commands mimicking the task of the assistant in charge of manipulating the endoscope in conventional laparoscopy. First, I built a model of the field of laparoscopic surgery highlighting the role of the assistant. It allowed me to identify the commands primitives to develop. Then, I worked on the conception and development of the selected command primitives, especially a command dedicated to the robot's automatic tracking of surgical instruments based on the analysis of the endoscopic images. The instrument detection algorithm was first validated on numerized images extracted from surgical procedures. Then a cadaver experiment was performed, during which we were able to track a surgical instrument with the robot, in conditions close to clinical conditions.

Les progrès de l'instrumentation ont été indispensables au développement de la cœlioscopie, permettant de combiner l'efficacité de la chirurgie avec une voie d'abord mini-invasive. Les systèmes robotisés font maintenant partie de l'arsenal dans l'assistance à la réalisation d'une intervention par technique mini-invasive, mais leur intérêt reste encore controversé en raison de leur encombrement, leur coût et les transformations qu'ils risquent d'imposer à la pratique chirurgicale. Les problématiques de recherche dans le domaine de la cœlioscopie robotisée visent une meilleure adaptation de ces systèmes aux contraintes chirurgicales.

L'objectif de cette thèse était de contrôler un robot porte-endoscope grâce à primitives de commandes " haut-niveau " qui imitent la tâche de l'assistant chargé de manipuler l'endoscope en cœlioscopie classique. Dans un premier temps, j'ai construit un modèle du domaine de la chirurgie cœlioscopie mettant en évidence le rôle de l'assistant qui m'a permis de déterminer les commandes pertinentes pour contrôler un robot porte-endoscope. Je me suis ensuite intéressée à la mise en œuvre de ces commandes, notamment l'une d'entre elles, consacrée au suivi automatique, par le robot, des instruments chirurgicaux à partir de l'analyse des images endoscopiques. La détection des instruments chirurgicaux a d'abord été validée sur des images numérisées de procédures chirurgicales, puis nous avons réalisé un test sur cadavre, plus proche de la réalité clinique, au cours duquel nous avons réussi à suivre un instrument chirurgical avec le robot porte endoscope.

Mots clés: computer-assisted surgery; laparoscopy; robotized camera holder; surgical procedure model; tracking of surgical instruments; visual servoing.

Mots clés: chirurgie assistée par ordinateur; cœlioscopie; robot porte-endoscope; modélisation de procédures chirurgicales; suivi automatique des instruments chirurgicaux; asservissement visuel.; asservissement visuel

Domaines: Interface homme-machine [cs.HC]

Sandrine Voros. Vers la commande en boucle fermée d'un robot porte-optique : apport de l'analyse contextuelle d'images endoscopiques.. Interface homme-machine [cs.HC]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00257239⟩