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Faculté de Psychologie et des Sciences de l’éducation Dissertation présentée par Adélaïde Blavier En vue de l’obtention du titre de Docteur en Psychologie Impact des images en 2D ou 3D sur les processus cognitifs impliqués dans le traitement visuel et dans le contrôle de l’action : le cas de la chirurgie minimale invasive Soutenue le 22 mai 2006, devant un jury composé de : Véronique DE KEYSER Professeur à l’Université de Liège Directeur de Thèse Anne-Sophie NYSSEN Chargée de Cours à l’Université de Liège Directeur de Thèse Thierry MEULEMANS Professeur à l’Université de Liège Guy-Bernard CADIERE Professeur à l’Université libre de Bruxelles Michel DEGUELDRE Professeur à l’Université libre de Bruxelles Jean PAILHOUS Directeur de recherche CNRS à l’Institut de Neurosciences cognitives de la Méditerranée Remerciements Au terme de ce travail, c’est avec beaucoup de plaisir que je peux exprimer de chaleureux remerciements à toutes les personnes qui m’ont apporté aide et soutien au cours de la réalisation de cette thèse. Tout d’abord, je remercie le professeur Véronique De Keyser pour la confiance qu’elle m’a accordée, en me confiant cette recherche, mais aussi en me témoignant un soutien indéfectible. Elle a toujours su se montrer disponible, malgré un emploi du temps très chargé, et a toujours marqué un intérêt soutenu pour mon travail. Qu’Anne-Sophie Nyssen soit également chaleureusement remerciée ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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Faculté de Psychologie et des Sciences de l’éducation





Dissertation présentée par Adélaïde Blavier
En vue de l’obtention du titre de Docteur en Psychologie




Impact des images en 2D ou 3D sur les processus cognitifs
impliqués dans le traitement visuel et dans le contrôle de l’action :
le cas de la chirurgie minimale invasive









Soutenue le 22 mai 2006, devant un jury composé de :


Véronique DE KEYSER Professeur à l’Université de Liège
Directeur de Thèse
Anne-Sophie NYSSEN Chargée de Cours à l’Université de Liège
Directeur de Thèse
Thierry MEULEMANS Professeur à l’Université de Liège
Guy-Bernard CADIERE Professeur à l’Université libre de Bruxelles
Michel DEGUELDRE Professeur à l’Université libre de Bruxelles
Jean PAILHOUS Directeur de recherche CNRS à l’Institut de
Neurosciences cognitives de la Méditerranée

Remerciements

Au terme de ce travail, c’est avec beaucoup de plaisir que je peux exprimer de
chaleureux remerciements à toutes les personnes qui m’ont apporté aide et soutien au
cours de la réalisation de cette thèse.

Tout d’abord, je remercie le professeur Véronique De Keyser pour la confiance qu’elle
m’a accordée, en me confiant cette recherche, mais aussi en me témoignant un soutien
indéfectible. Elle a toujours su se montrer disponible, malgré un emploi du temps très
chargé, et a toujours marqué un intérêt soutenu pour mon travail.

Qu’Anne-Sophie Nyssen soit également chaleureusement remerciée : pour sa guidance
avisée au quotidien, pour ses réflexions enrichissantes et ses commentaires structurants.
Elle m’a ouvert les portes de l’ergonomie et a porté tous les jours ce travail.

Mes remerciements vont également au professeur Thierry Meulemans, membre de mon
comité d’accompagnement de thèse, qui me suit dans mes recherches depuis mon
mémoire de licence. Son enthousiasme et son attitude positive et ouverte m’ont
encouragée et inspirée à divers égards.

Je remercie aussi les professeurs Guy-Bernard Cadière et Michel Degueldre, qui m’ont
permis de réaliser les études et observations au CHU St-Pierre de Bruxelles. Je les
remercie également d’avoir accepté d’être lecteurs de ma thèse. Je suis en outre très
reconnaissante à Jean Pailhous pour sa présence dans le jury de cette thèse.

J’adresse également mes vifs remerciements aux personnes qui m’ont aidée dans la
mise en place de mes conditions expérimentales au sein du bloc opératoire et
particulièrement David Douglas et Olivier Germay. Mes remerciements vont aussi à
Quentin Gaudissart pour la réflexion que nous menons ensemble sur la problématique
de la chirurgie robotique. Je remercie les étudiants stagiaires du laboratoire d’ergonomie
cognitive : Olivier, Marie-Lucienne et Thérèse, qui m’ont accompagnée à Bruxelles
pour recueillir les données présentées dans ce travail. Que tous les chirurgiens et
étudiants en médecine qui ont participé aux expériences soient remerciés pour leur
collaboration active.

Il m’importe également de remercier le Fonds National de la Recherche Scientifique
pour la bourse de doctorat qu’il m’a octroyée et qui m’a permis de réaliser ce travail
dans d’excellentes conditions. Je remercie également les firmes médicales qui m’ont
généreusement prêté le matériel nécessaire à mes investigations (Ethicon, Storz), ainsi
que William Andersen d’Essilor pour l’intérêt porté à notre recherche.

Je remercie de tout cœur mes collègues pour leurs gestes d’encouragement et leur
soutien à la fois moral et logistique.

Enfin, je souhaite particulièrement remercier ma famille, mes amis et surtout Alexis,
sans qui rien n’aurait été possible.

A notre future fille,
Qui aura vécu de très près la rédaction et la finalisation de ce manuscrit.
1
TABLE DES MATIERES


PARTIE I : INTRODUCTION GENERALE ........................................................................6
PARTIE II : REPERES THEORIQUES..............................................................................10
CHAPITRE I............................................................................................................... 11
LA PERCEPTION DE LA PROFONDEUR .............................................................. 11
1 Les indices de profondeur................................................................................. 11
1.1 Indices binoculaires ................................................................................... 11
1.2 Indices monoculaires ................................................................................. 14
1.3 Relation entre indices binoculaires et monoculaires.................................. 18
1.4 Résumé et conclusion ................................................................................ 22
2 Rôle de l’environnement ................................................................................... 22
3 Autres facteurs intervenant dans la perception de la profondeur .................... 25
4 Développement de la perception de la profondeur........................................... 26
5 Les différences individuelles dans la perception de la profondeur .................. 27
6 Lien entre les différents sens : la vision et le toucher....................................... 27
6.1 Nos sens déterminent-ils la nature de la perception ?................................ 28
6.2 Lien vision – toucher ................................................................................. 29
7 Conclusion ........................................................................................................ 31

CHAPITRE II ............................................................................................................. 32
LES DIFFERENTES APPROCHES DE L’ETUDE DE LA PERCEPTION VISUELLE .................... 32
1 L’approche du traitement de l’information : le Modèle de Marr..................... 32
2 L’approche écologique ..................................................................................... 34
3 L’approche des deux systèmes visuels séparés................................................. 36
4 L’approche constructiviste ............................................................................... 40
5 Rôle de l’influence des processus ascendants et descendants sur la perception
de la profondeur...................................................................................................... 42
6 Conclusion ........................................................................................................ 42

CHAPITRE III L’UTILISATION DE L’INSTRUMENT ET L’EXPERTISE............................ 44
1 La notion d’instrument...................................................................................... 44
2 Les caractéristiques de l’expertise ................................................................... 47
2.1 Définition du concept d’expertise.............................................................. 47
2.2 Les différences novices – experts .............................................................. 49
2.3 Les métaconnaissances dans le processus d’expertise............................... 50
3 L’acquisition d’habiletés motrices et la mémoire procédurale........................ 51
3.1 Distinction entre connaissances procédurales et connaissances déclaratives
52
3.2 Fonctionnement de la mémoire procédurale et acquisition des habiletés
motrices............................................................................................................... 52
3.3 Méthodes d’investigation des connaissances procédurales et des habiletés
motrices............................................................................................................... 55
3.4 Rôle du feedback proprioceptif dans l’acquisition des habiletés motrices 57
4 Conclusion ........................................................................................................ 59



2
CHAPITRE IV CONTEXTE D’ETUDE : LA CHIRURGIE MINIMALE INVASIVE................ 60
1 L’évolution technologique : buts et conséquences ........................................... 60
2 Evolutions technologiques en chirurgie ........................................................... 61
2.1 La chirurgie minimale invasive, une révolution technologique dans les
salles d’opération ................................................................................................ 62
2.2 La chirurgie robotique ............................................................................... 69
2.3 Conclusion ................................................................................................. 75
3 La perception de la profondeur dans les procédures MIS................................ 77
4 Conclusion ........................................................................................................ 79

CHAPITRE V ............................................................................................................. 81
ASPECTS METHODOLOGIQUES...................................................................................... 81
1 Méthodes d’investigation de la perception de la profondeur ........................... 81
1.1 La vision monoculaire comme perturbation de la fonction visuelle.......... 81
1.2 Paradigmes d’étude de la perception de la profondeur.............................. 82
2 La chirurgie minimale invasive : Approche méthodologique........................... 90
2.1 Analogies et apports par rapport aux études classiques de psychologie
cognitive.............................................................................................................. 90
2.2 La nécessité de la simulation en chirurgie minimale invasive................... 91
2.3 La définition de la compétence chirurgicale.............................................. 95
2.4 La tâche ou activité étudiée ....................................................................... 96
2.5 Le type de mesure ...................................................................................... 97
3 Conclusions..................................................................................................... 102

PARTIE III : HYPOTHESES ET ASPECTS METHODOLOGIQUESERREUR ! SIGNET NON DEFINI.

PARTIE IV : PARTIE EXPERIMENTALE .................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
ÉTUDE EXPLORATOIRE...................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
1 Introduction ..............................................................Erreur ! Signet non défini.
2 Materials and methods..............................................Erreur ! Signet non défini.
3 Results.......................................................................Erreur ! Signet non défini.
4 Discussion.................................................................Erreur ! Signet non défini.

ETUDE 1.......................................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
TACHES DE COMPLEXITE CROISSANTE CHEZ DES SUJETS NOVICES.......ERREUR ! SIGNET
NON DEFINI.
1 Introduction ..............................................................Erreur ! Signet non défini.
2 Materials and methods..............................................Erreur ! Signet non défini.
3 Procedure..................................................................Erreur ! Signet non défini.
4 Tasks .........................................................................Erreur ! Signet non défini.
5 Statistical analysis ....................................................Erreur ! Signet non défini.
6 Results.......................................................................Erreur ! Signet non défini.
7 Discussion.................................................................Erreur ! Signet non défini.
7.1 Discussion of the familiarisation phase ............Erreur ! Signet non défini.
7.2 Discussion of the tasks of increasing complexity.........Erreur ! Signet non
défini.
7.3 Discussion of the technical switch....................Erreur ! Signet non défini.
8 General conclusion...................................................Erreur ! Signet non défini.
3


ETUDE 2.......................................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
TACHES DE COMPLEXITE CROISSANTE CHEZ DES SUJETS EXPERTS ......ERREUR ! SIGNET
NON DEFINI.
1 Introduction ..............................................................Erreur ! Signet non défini.
2 Méthodologie ............................................................Erreur ! Signet non défini.
3 Résultats....................................................................Erreur ! Signet non défini.
4 Discussion.................................................................Erreur ! Signet non défini.
4.1 Phase de familiarisation....................................Erreur ! Signet non défini.
4.2 Tâches de complexité croissante.......................Erreur ! Signet non défini.
5 Conclusions...............................................................Erreur ! Signet non défini.

ETUDE 3.......................................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
COURBES D’APPRENTISSAGE AVEC DES SUJETS NOVICESERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
1 Introduction ..............................................................Erreur ! Signet non défini.
2 Methods.....................................................................Erreur ! Signet non défini.
3 Results.......................................................................Erreur ! Signet non défini.
4 DISCUSSION............................................................Erreur ! Signet non défini.
4.1 First phase: learning curves ..............................Erreur ! Signet non défini.
4.2 Second phase: perceptive switch ......................Erreur ! Signet non défini.
4.3 Third phase: technical switch ...........................Erreur ! Signet non défini.
5 General conclusion...................................................Erreur ! Signet non défini.

ETUDE 4.......................................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
LA QUALITE DU GESTE ET SON EVOLUTION EN FONCTION DES DIMENSIONS PERCEPTIVE
ET INSTRUMENTALE .......................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
1 Introduction ..............................................................Erreur ! Signet non défini.
2 Méthodologie ............................................................Erreur ! Signet non défini.
3 Résultats....................................................................Erreur ! Signet non défini.
4 Discussion.................................................................Erreur ! Signet non défini.
4.1 Evolution des performances..............................Erreur ! Signet non défini.
4.2 Les deux composantes du mouvement .............Erreur ! Signet non défini.
4.3 Les erreurs de manipulation..............................Erreur ! Signet non défini.
4.4 Utilité des erreurs de distance dans la perception de la profondeur Erreur !
Signet non défini.
5 Conclusion ................................................................Erreur ! Signet non défini.
6 ANNEXE : Cas particulier de la laparoscopie classique en vue directe Erreur !
Signet non défini.

ETUDE 5.......................................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
ETUDES DE TERRAIN ......................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
1 Introduction ..............................................................Erreur ! Signet non défini.
2 Méthodologie générale .............................................Erreur ! Signet non défini.
3 Première étude de terrain .........................................Erreur ! Signet non défini.
3.1 Méthodologie....................................................Erreur ! Signet non défini.
3.2 Résultats............................................................Erreur ! Signet non défini.
3.3 Discussion.........................................................Erreur ! Signet non défini.
4 Seconde étude de terrain : L’expertise en chirurgie robotique ...Erreur ! Signet
non défini.
4
4.1 Description du contexte et de la procédure opératoire pour les
reperméabilisations tubaires ......................................Erreur ! Signet non défini.
4.2 Hypothèses........................................................Erreur ! Signet non défini.
4.3 Méthodologie....................................................Erreur ! Signet non défini.
4.4 Résultats............................................................Erreur ! Signet non défini.
4.5 Discussion.........................................................Erreur ! Signet non défini.
4.6 Conclusions.......................................................Erreur ! Signet non défini.
5 Conclusion ................................................................Erreur ! Signet non défini.

PARTIE V : DISCUSSION GENERALE ......................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.
1 Rappel du cadre théorique........................................Erreur ! Signet non défini.
2 Résumé des résultats.................................................Erreur ! Signet non défini.
3 Implications théoriques et pratiques de nos résultats ......... Erreur ! Signet non
défini.
3.1 Le rôle de la complexité des tâches dans les différences entre la vision 2D
et 3D Erreur ! Signet non défini.
3.2 Le rôle de la dimension instrumentale..............Erreur ! Signet non défini.
3.3 Rôle de l’expertise ............................................Erreur ! Signet non défini.
3.4 Les impressions subjectives des sujets .............Erreur ! Signet non défini.
3.5 Le robot chirurgical comme outil de formation ? .........Erreur ! Signet non
défini.
4 Résumé et conclusion des implications de nos résultats...... Erreur ! Signet non
défini.
5 Limites et perspectives de notre étude ......................Erreur ! Signet non défini.
5.1 Ecologie des tâches...........................................Erreur ! Signet non défini.
5.2 Les facteurs subjectifs et de personnalité .........Erreur ! Signet non défini.
5.3 L’influence des troubles perceptifs et les différences individuelles Erreur !
Signet non défini.
5.4 La dimension collective du travail....................Erreur ! Signet non défini.
5.5 Généralisation des résultats ..............................Erreur ! Signet non défini.

PARTIE VI : CONCLUSION GENERALE ..................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.

BIBLIOGRAPHIE............................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.

ANNEXES .........................................................................ERREUR ! SIGNET NON DEFINI.

5













PARTIE I : INTRODUCTION GENERALE
6 INTRODUCTION GENERALE
INTRODUCTION

a) Nécessité d’étudier les implications ergonomiques et théoriques des nouvelles
technologies

L’intrusion de la technologie dans toutes les sphères de l’activité humaine est une
dimension sans cesse plus prégnante et qui apparaît comme irréversible. La question
actuelle n’est désormais plus de savoir si cette immixtion de la composante technique
doit être combattue ou encouragée ; le véritable défi est de ne pas subir cette évolution
technologique sans prendre la peine de la mettre en perspective et d’en analyser
minutieusement les bénéfices éventuels, ainsi que son incidence sur l’organisation du
travail.

Le domaine médical est un de ceux dans lesquels les mutations technologiques sont les
plus rapides. Mais, comme dans d’autres sphères d’activités, les pressions commerciales
y sont très lourdes et les bénéfices immédiats des instruments modernes pour les
patients ont volontiers médiatisé certains aspects ergonomiques essentiels, comme les
risques nouveaux que ces techniques pouvaient induire ; de manière moins dramatique,
les adaptations qui devaient être apportées au modus operandi classiquement appliqué
en salle d’opération n’ont tout simplement pas été envisagées. En effet, la vaste
littérature qui s’est développée dans le domaine médical sur le thème de la MIS
(minimal invasive surgery) n’envisage que les seuls aspects cliniques.

Pourtant, ces nouvelles technologies n’ont pas qu’une influence sur l’organisation du
travail ; en s’insérant entre l’opérateur et la tâche que celui-ci exécute, ces techniques
modifient le processus qui conduit vers l’action. Ces variations sont intéressantes, car
elles peuvent être pleines d’enseignements sur ce processus, problème qui est cœur de la
psychologie cognitive. Ainsi, ces nouvelles technologies peuvent devenir un support
d’investigation théorique particulièrement riche (Huber, Taffinder, Russell & Darzi,
2003 ; Satava & Ellis, 1994).

Depuis 2000, a été introduit dans les salles d’opération un système robotique permettant
l’appréhension en vision 3D du champ opératoire, qui couplait à ces avantages
perceptifs une facilité de manipulation remarquable. Le robot est de plus en plus
couramment utilisé : si une littérature assez abondante interroge les bénéfices qu’il
induit pour les patients, on n’a pas envisagé de manière approfondie les modifications
que son usage a imposées dans l’organisation du travail en salle d’opération ; on doit
encore évaluer son intérêt pour la formation des chirurgiens ; enfin, le robot est un outil
7 INTRODUCTION GENERALE
précieux pour mesurer l’importance des dimensions perceptives (3D-2D) sur l’action
des chirurgiens. Notre travail se propose de combler partiellement ces manques, en
investiguant les dimensions énoncées ci-dessus.
Notre recherche se situe donc à la croisée des chemins de la psychologie cognitive et de
la psychologie du travail, dans cette discipline que l’on appelle l’ergonomie cognitive :
celle-ci se donne pour mission d’étudier les processus cognitifs mis en œuvre chez
l’homme dans des situations naturelles et complexes. Elle s’inscrit dans le paradigme de
recherche de la cognition située qui, à travers des études de terrain, a mis l’accent sur
les interactions entre la perception et l’action (Nardi, 1996). L’intérêt de ces études en
situation réelle est de procurer des feedbacks qui sont le plus proche possible de la
réalité complexe, ce qui, dans un second temps, permet de développer des modèles
théoriques affinés et moins réducteurs qui ont aussi des applications pratiques (Ericsson,
1995).

Notre objectif est donc double : comprendre la nature des processus moteurs qui sous-
tendent le contrôle des instruments en chirurgie, afin d’améliorer notre connaissance des
procédures chirurgicales et de leur apprentissage ; mettre en avant l’intérêt théorique
que de telles découvertes peuvent induire pour la compréhension du fonctionnement
humain (Brydges, Carnahan & Dubrowski, 2005) : les dimensions théoriques et
pratiques sont donc intimement liées.

b) Le Robot Da Vinci : avantages présumés et questions théoriques que posent ces
« avantages »

La plus ancienne des pratiques utilisées en chirurgie est évidemment la chirurgie
ouverte qui permet naturellement une vue en 3D du champ opératoire. Depuis le début
de la dernière décennie, une nouvelle technique est apparue dans le domaine
chirurgical : la laparoscopie, où le feedback pour le chirurgien est obtenu à partir
d’images en 2D visibles sur un écran. La laparoscopie présente de très grands bénéfices
qui seront expliqués dans notre travail ; elle comporte toutefois d’importants
inconvénients, particulièrement dans le degré de liberté de mouvement offert au
chirurgien.
Le système robotique Da Vinci, qui sera l’objet de notre étude, présente deux
importantes nouveautés : il combine la vue 3D, habituellement réservée à la chirurgie
ouverte, à certains avantages techniques (limitation du tremblement, utilisation d’une
caméra qui offre une vue très détaillée de la zone à opérer, etc.).
Ce sont donc ces deux aspects, propres au système robotique, qui serviront de point de
départ à notre interrogation :

8 INTRODUCTION GENERALE
1° L’augmentation de la qualité visuelle (la 3D) a t-elle réellement une incidence
sur la performance chirurgicale ? Si oui, pourquoi ?

2° Si la dimension perceptive (l’impact de la 3D) a une influence sur l’action
chirurgicale, cette influence est-elle identique chez tous les sujets et dans les
mêmes circonstances ? N’est-elle pas plutôt variable selon l’influence de
certains facteurs contextuels ?

En d’autres termes, nous devrons évaluer si la dimension perceptive nouvelle offerte par
le robot est réellement avantageuse. Puisque les spécificités du robot sont, d’une part
qu’il offre une vision en 3D, d’autre part, qu’il présente une facilité de manipulation
remarquable, il importe de savoir dans quelle mesure chacune de ces caractéristiques est
susceptible d’améliorer la performance des chirurgiens. En outre, nous étudierons
l’influence des facteurs contextuels, que sont l’expertise des sujets et la complexité des
tâches, sur les apports que peuvent offrir le système robotique. L’étude de ces facteurs
contextuels enrichira considérablement notre travail puisqu’elle nous permettra
d’affiner nos conclusions sur les bénéfices du robot.

c) Notre plan

Pour mener à bien cette étude, nous commencerons par rappeler la théorie relative aux
facteurs perceptifs. Par rapport à la laparoscopie classique, le robot offre au chirurgien
le bénéfice des indices binoculaires (3D) : il était donc indispensable de rappeler au
lecteur les théories de la vision et du traitement de l’information. Mais ces facteurs
perceptifs n’interviennent pas dans un environnement vierge de toute autre influence : le
chirurgien, en particulier, s’est construit une pratique : c’est pourquoi notre intérêt se
portera ensuite sur la définition de l’expertise et les modèles qui l’expliquent
traditionnellement. Nous développerons également dans cette partie la notion
d’instrument ; les modifications technologiques rendent désormais une théorisation de
l’instrument indispensable. Enfin, nous décrirons en détail le contexte de notre étude : la
chirurgie minimale invasive, où nous détaillerons les caractéristiques du robot et de la
laparoscopie classique. La partie théorique sera clôturée par une présentation des
aspects méthodologiques adoptés dans notre partie expérimentale.
Après cette large introduction théorique, la seconde partie sera consacrée aux études
expérimentales et aux observations de terrain que nous avons réalisées en vue
d’apporter des éléments de réponse à l’apport du système robotique en termes de
formation et d’application en situation réelle.
Dans la troisième et dernière partie, nous discutons de l’implication des résultats
obtenus dans une perspective à la fois théorique et appliquée.
9

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