Docteur de l'Université Louis Pasteur

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Strasbourg I Docteur de l'Université Louis Pasteur Thèse présentée pour obtenir le grade de Discipline : Electronique, Electrotechnique, Automatique Spécialité : Robotique par Wael Bachta Chirurgie Cardiaque à Cœur Battant Conception et commande d'un stabilisateur cardiaque actif Soutenue publiquement le 9 décembre 2008 Membres du Jury Directeur de Thèse : Jacques Gangloff, Professeur, ULP, Strasbourg Rapporteur Externe : Guillaume Morel, Professeur, Université de Pierre et Marie Curie, Paris Rapporteur Externe : François Pierrot, Directeur de Recherche CNRS, LIRMM, Montpellier Rapporteur Interne : Rémy Willinger, Professeur, ULP Examinateur : Tobias Ortmaier, Professeur, Université Leibniz, Hannovre Examinateur : Pierre Renaud, Maître de Conférences, INSA, Strasbourg Invité : Edouard Laroche, Professeur, ULP, Strasbourg

  • connaissances pluridisciplinaires

  • soutien inconditionnel

  • merci de ton attention

  • dispositif expérimental

  • compensation du mouvement cardiaque

  • merci

  • pontage coronarien

  • prédiction du mouvement cardiaque

  • analyse des données expérimentales


Publié le : lundi 1 décembre 2008
Lecture(s) : 57
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 160
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Thèse présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l'Université Louis Pasteur
Strasbourg I
Discipline : Electronique, Electrotechnique, Automatique
Spécialité : Robotique
par Wael Bachta
Chirurgie Cardiaque à Cœur Battant
Conception et commande d'un stabilisateur cardiaque actif
Soutenue publiquement le 9 décembre 2008
Membres du Jury
Directeur de Thèse : JacquesGangloff, Professeur, ULP, Strasbourg
Rapporteur Externe : GuillaumeMorel, Professeur, Université de Pierre et Marie Curie, Paris
Rapporteur Externe : FrançoisPierrot, Directeur de Recherche CNRS, LIRMM, Montpellier
Rapporteur Interne : Rémy Willinger, Professeur, ULP
Examinateur : TobiasOrtmaier, Professeur, Université Leibniz, Hannovre
Examinateur : PierreRenaud, Maître de Conférences, INSA, Strasbourg
Invité : EdouardLaroche, Professeur, ULP, StrasbourgRemerciements
Ma gratitude va tout d'abord à l'ensemble des membres du jury, qui m'ont fait l'honneur
d'accepterd'évaluermathèseetplusparticulièrementà messieursGuillaumeMoreletFrançois
Pierrot, pour l'intérêt qu'ils ont témoigné à l'égard de mon travail en consentant à en être les
rapporteurs.
Je remercie très sincèrement Jacques, mon directeur de thèse, de m'avoir offert
l'opportunité de travailler sur une thématique aussi passionnante. Tes connaissances pluridisciplinaires,
tes conseils avisés, ta grande disponibilité et ton soutien infaillible tout au long de ma thèse
m'ontétéd'uneprécieuseaide.J'aiégalementbeaucoupappréciédepartagertonenthousiasme
et ton désir d'innovation.
Et puis un grand merci à toi Pierre. Je te remecrcie de ta grande patience au tout début de
mathèse,lorsquetum'initiaisàlaconceptionmécanique,puisdetesconstantsencouragements
et conseils, de ton profond investissement et de ta grande disponibilité tout au long de ces trois
années,etcejusquedansladernièrelignedroite.Tuétaistoujourspartantpourdonneruncoup
de main, toujours disponible pour relire un article. L'étendue de tes compétences, ta force de
proposition et ta grande rigueur m'ont permis de progresser et de faire avancer ce projet, tandis
que ta gentillesse et ta bonne humeur ont rendu notre collaboration très plaisante.
Je remercie égalementEdouardde sa contribution sur lesaspectsrelevant de l'automatique.
Tes vastes connaissances m'ont aidé à progresser très rapidement sur des techniques avancées
de l'automatique, et cela dans un cadre de travail agréable.
Merci à Sophie, ma tutrice pédagogique, qui m'a accueilli avec beaucoup de gentillesse
à l'IUTdeHaguenau.Sabonnehumeuretsesconseilsjudicieuxontaccompagnéetfacilitémes
premiers pas de moniteur.
Jeremercietouslescollèguesdel'équipeAVRpourlabonneambiance,enparticulier"lesvieux"
(Florent, Philippe et Laurent), pour leurs conseils, leur aide et les bons moments passés dans
leur bureau. Merci à Michel de Mathelin, de m'avoir accueilli au sein de son équipe.
Jeremerciel'ensembledescollèguesdel'IRCADpourl'environementdetravailtrèsagréable.
Merci à Antonello et Alain pour les inoubliables expériences in vivo.
Jeremerciemesamispourleursoutien,plusparticulièrementCarine,Julie,Virginie,Hamza
et Jean-Louis pour leur présence le jour de ma soutenance.
Merciàmesparentsetmapetitesoeur,pourleuramouretleursoutieninconditionnel.Merci
à papa, qui est venu assister à ma soutenance.
Enfin, un grand merci à toi Barbara pour m'avoir soutenu et encouragé avec abnégation.
Merci de ton attention et merci d'avoir partagé avec moi les moments de joie comme les
moments de doute.
12Table des matières
Introduction 7
1 État de l'art et contributions 11
1.1 Anatomie, fonctionnement et pathologies du cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Revascularisation des coronaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.1 Angioplastie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.2 Pontage coronarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.3 Angioplastie ou pontage coronarien? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Techniques de pontage coronarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.1 Pontage coronarien sur un cœur à l'arrêt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.2 Pontage coronarien à cœur battant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4 Compensation robotisée des mouvements physiologiques . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.1 Compensation du tremblement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.2 Compensation des mouvements dûs à la respiration . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.3 Compensation du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5 Contributions de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Analyse et prédiction du comportement cardiaque 37
2.1 Analyse des efforts cardiaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.2 Rappel des propriétés du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.3 Propriétés des efforts cardiaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2 Comportement viscoélastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.2 Analyse des données expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Prédiction du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.1 État de l'art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.2 La modulation d'amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3.3 Comparaison des résultats de prédiction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3Table des matières
2.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3 Conception de stabilisateurs cardiaques actifs 71
3.1 Contexte de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2 Choix technologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.1 Mécanismes compliants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2 Actionnement piézoélectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3 Stabilisateur à un degré de liberté : Cardiolock 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3.1 Choix de la cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.2 Dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.3 Analyse du comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4 Stabilisateur à deux degrés de liberté : Cardiolock 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.1 Cinématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.2 Dimensionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.4.3 Analyse du comportement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.4 Validation expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4 Commande d'un stabilisateur cardiaque actif 107
4.1 Méthodologie de commande et d'analyse de la robustesse . . . . . . . . . . . . . 108
4.1.1 CommandeH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108∞
4.1.2 –analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.2 Modélisation et identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2.1 Modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.2.2 Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.3 Synthèse de lois de commande . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.1 Correcteur sans connaissance a priori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.3.2 Correcteur avec connaissance de la fréquence cardiaque . . . . . . . . . . 125
4.3.3 Correcteur avec utilisation d'un modèle du mouvement cardiaque . . . . . 127
4.3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.5 Expérience in vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Conclusion 143
4Liste des publications 147
Bibliographie 149
5Table des matières
6Introduction
Malgré une prise de conscience récente, les déséquilibres alimentaires et la forte
consommation de graisses ont de graves conséquences dans les sociétés occidentales. Les pathologies
cardiaques sont par exemple en constant développement avec un nombre important de cas de
sténosedesartèrescoronaires,i.e.unrétrécissementdesartèresalimentantlemusclecardiaque.
S'ensuit alors l'ischémie du myocarde, un manque d'oxygène du muscle cardiaque, voire un
infarctus. Dans cette dernière situation, une personne sur deux décède dans les 24 heures qui
suivent.
A l'heure actuelle, le pontage coronarien est la technique de référence pour rétablir une ir
rigation correcte du myocarde. Ce geste chirurgical consiste à court-circuiter la partie sténosée
d'uneartèrecoronaireàl'aided'ungreffonartérielouveineuxprélevésurlepatient.L'approche
conventionnelle pour effectuer ce type d'opération suppose le remplacement temporaire du
système cœur poumons par un appareil externe, qui assure l'oxygénat ion et la circulation
sanguine. Cela permet aux chirurgiens d'opérer sur un cœur à l'arrêt. L'utilisation d'une machine
cœur poumons s'est avérée dangereuse car elle peut entraîner de s séquelles postopératoires
importantes, telles que des complications neurologiques. On assiste donc au développement de
la chirurgie cardiaque à coeur battant, avec l'utilisation de stabilisateurs mécaniques pour
stabiliser une zone d'intérêt sur le cœur qui continue de battre.
Les stabilisateurs passifs disponibles aujourd'hui laissent apparaître un mouvement résiduel
qui peut nuire à la qualité de l'intervention. Ce mouvement, évalué par plusieurs groupes de
recherche, présente une amplitude incompatible avec la précision requise lors d'un pontage. Il
contient de plus des composantes fréquentielles élevées qui dépassent la possibilité de suivi de
la main humaine. Le geste chirurgical est encore plus difficile dans le cas d'un pontage
coronarien totalement endoscopique, qui présente pourtant un intérêt majeur, et qui devrait en
conséquence se développer : il permet un rétablissement plus rapide pour le patient et évite les
effets secondaires d'une opération à coeur ouvert.
Plusieurs travaux de recherche en robotique se sont attachés à la résolution du problème
posé par l'existence de ce mouvement cardiaque résiduel. L'approche classique proposée dans
la littérature est un schéma de téléopération. Un robot esclave porteur des instruments chirur
gicaux et d'un système de vision est asservi en temps réel pour suivre de façon synchrone le
mouvementrésiduelducoeur.Lesinstrumentsgardentainsiunepostureconstanteaveclazone
à opérer, et une image d'un coeur virtuellement stable est fournie au chirurgien. Ce dernier
utilise une console maître afin de réaliser les gestes utiles de chirurgie sans se soucier des
mouvements résiduels. Le robot esclave doit réaliser les gestes transférés depuis la console en plus
7Introduction
de la compensation du déplacement résiduel du coeur.
L'approche décrite ci-dessus, qui donne de bons résultats expérimentaux, peut s'avérer
dangereuse. En effet, un robot médical fournissant les accélérations nécessaires à la
compensation des mouvements cardiaques peut représenter un danger pour son environnement. De plus,
la conception d'un système esclave compatible avec une approche de pontage totalement
endoscopique, et capable de compenser le mouvement résiduel, constitue encore un défi
technologique.
Dans le cadre de cette thèse, nous proposons une solution alternative qui consiste à réaliser
une "stabilisation active" de la zone opérée du coeur. Il s'agit de combiner l'usage d'un
stabilisateur cardiaque robotisé avec l'obtention d'une mesure extéroceptive des mouvements résiduels
pour annuler en temps réel tout défaut de stabilisation. Ainsi, la zone d'intérêt sur le coeur est
stable par rapport à la table d'opération. La suture peut alors être réalisée par un robot dédié
qui est soit commandé de façon automatique, soit télémanipulé.
Comme un stabilisateur cardiaque robotisé est utilisé au contact du cœur, il convient dans
un premier temps de caractériser l'interaction entre un stabilisateur et le muscle cardiaque.
Ceci nous permet, dans un deuxième temps, de proposer des architectures mécaniques
pertinentes pourla réalisationd'unstabilisateurcardiaqueactif.Ils'agit,enfin, d'élaborerdesloisde
commande performantes qui permettent un rejet efficace de la perturbation que constituent les
efforts appliqués par le cœur. Le manuscrit est ainsi logiquement organisé selon cette structure,
et composé de quatre chapitres :
État de l'art et contributions : Dans ce chapitre, il s'agit tout d'abord de rappeler les
propriétés anatomiques du cœur, les pathologies l'affectant, et de souligner l'importance des cas
d'ischémie du cœur. Nous présentons dans second temps les techniques de ravascularisation du
myocarde pour mettre en avant l'intérêt du pontage coronarien à cœur battant. Ceci permet de
mettreenexerguelesfaiblesperformancesdesdispositifsdestabilisationactuels.Unétatdel'art
des approches de compensation robotisée du mouvement cardiaque nous permet finalement de
situer notre approche et mettre en avant les contributions de ce travail.
Analyse et prédiction du comportement cardiaque : Dans ce chapitre, nous nous
attachons, à travers plusieurs expérimentations in vivo, à réunir tous les éléments caractérisant
l'interaction entre le muscle cardiaque et un stabilisateur. Ces informations sont nécessaires au
dimensionnement d'un dispositif de stabilisation robotisé et à sa commande. Nous analysons tout
d'abordletorseurd'actionmécaniqueducœurentermesd'amplitudeetdecontenufréquentiel.
Ces données sont indispensables à la phase de conception d'un stabilisateur actif. Le dispositif
ayantvocationàêtreutiliséaucontactducœur,soncomportementdynamiqueestaltéréparles
propriétés mécaniques du myocarde. Le deuxième volet du chapitre est donc consacré à
l'identification d'un modèle viscoélastique du muscle cardiaque. Le modèle obtenu nous fournit des
élémentsprécieuxpourl'analysederobustessedesloisdecommandequenousélaboronsparla
suite.
Après avoir souligné l'apport de la commande prédictive dans le contexte de la chirurgie car
diaque, nous réalisons ensuite un état de l'art des approches de prédiction du mouvement car
diaque. Nous prenons le temps de décrire ces méthodes en détail et de confronter leurs perfor
mances en utilisant des données recueillies in vivo. Nous proposons une méthode de prédiction
originale et qui se montre performante en comparaison des approches existantes.
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