Docteur de l'Universite Louis Pasteur

Louis Pasteur

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Strasbourg I Docteur de l'Universite Louis Pasteur These presentee pour obtenir le grade de par Benjamin Maurin Discipline : Electronique, Electrotechnique, Automatique Membres du jury Directeur de these : M. Michel de Mathelin, Professeur, ULP Conception et realisation d'un robot d'insertion Soutenue publiquement le 28 Novembre 2005 M. Olivier Piccin, Maıtre de Conferences, INSA StrasbourgCo-encadrant : Rapporteur externe : Mme Jocelyne Troccaz, Directeur de recherche, TIMC Rapporteur externe : M. Franc¸ois Pierrot, Directeur de Recherche, LIRMM Rapporteur interne : M. Yves Remond, Professeur, ULP Examinateur : M. Wisama Khalil, Professeur, Ecole Centrale de Nantes Invite : M. Afshin Gangi, Professeur et radiologue, ULP d'aiguille pour les procedures percutanees sous imageur scanner

• algorithme automatique d'appariement et de calcul de la pose sans intervention manuelle


• assistant robotique pour les procedu- res percutanees par retour scanner


• procedures de destruction par radiofrequence


• aiguille


• enfoncement manuel avec guidage robotique


• directeur de la recherche

Sujets

• Afshin
• Rémond
• Jocelyne
• Maurin
• École centrale de Nantes
• Pasteur

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 novembre 2005
• Nombre de lectures: 39
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

Th`ese pr´esent´ee pour obtenir le grade de
Docteur de l’Universit´e Louis Pasteur
Strasbourg I
Discipline : Electronique, Electrotechnique, Automatique
par Benjamin Maurin
Conception et r´ealisation d’un robot d’insertion
d’aiguille pour les proc´edures percutan´ees
sous imageur scanner
Soutenue publiquement le 28 Novembre 2005
Membres du jury
Directeur de th`ese : M. Michel de Mathelin, Professeur, ULP
Co-encadrant : M. Olivier Piccin, Maˆıtre de Conf´erences, INSA Strasbourg
Rapporteur externe : Mme Jocelyne Troccaz, Directeur de recherche, TIMCe : M. Fran¸cois Pierrot, Directeur de Recherche, LIRMM
´Rapporteur interne : M. Yves Remond, Professeur, ULP
Examinateur : M. Wisama Khalil, Professeur, Ecole Centrale de Nantes
Invit´e : M. Afshin Gangi, Professeur et radiologue, ULPVersion du 13 mars 2006Remerciements
Les travaux pr´esent´es par la suite ne seraient rien sans le soutien, l’aide et la confiance de
nombreusespersonnes.Laquantit´ederemerciementsquejesouhaiteraisinclureiciaugmenterait
de mani`ere exag´er´ee le m´emoire en lui-mˆeme. Ainsi, j’esp`ere que les personnes que j’aurais pu
oublier m’en excuseront.
Pour commencer, je remercierai la r´egion Alsace qui a financ´e par une bourse de th`ese de
trois ans ces ann´ees de recherche et de d´eveloppement, me permettant de poursuivre dans de
bonnes conditions mes travaux.
Puis, dans cette tˆache complexe qu’est l’encadrement, je tiens tout particuli`erement `a
adresser mes reconnaissances a` mon directeur de th`ese Michel de Mathelin, sans qui je n’aurai pas
appr´eci´e, `a leur juste titre, un gouˆt certain pour la recherche, la curiosit´e, l’entousiasme pour
l’innovation et les qualit´es humaines. La relation que j’ai pu entretenir avec lui fut excellente
tout au long de ces quatre ann´ees (professionnellement, amicalement et sportivement parlant).
Je l’en remercie tr`es personnellement.
Ensuite, dans les autres tˆaches ingrates que sont la lecture de ce travail et son appr´eciation,
je tiens `a remercier tous les membres du jury, dont l’honneur fut pour moi qu’ils acceptent
d’´evaluer ce travail. Plus particuli`erement, j’exprime ma gratitude a` :
– MmeJocelyneTroccaz,pouravoiraccepterdelireetmedonnerdesinformationspr´ecieuses
a` l’am´elioration de ce m´emoire;
– M. Franc¸ois Pierrot, pour avoir appr´eci´e mes travaux et en faire part de mani`ere exalt´ee;
– M. Wisama Khalil, pour avoir pr´esid´e le jury et s’ˆetre int´eress´e a` mon travail. J’esp`ere que
ses doutes concernant l’architecture du robot se sont estomp´es suite `a la d´emonstration;
– M. Yves R´emond, pour ses questions et remarques pertinantes d´emontrant rapidement
que je ne suis pas un sp´ecialiste en m´ecanique;
– M. Afshin Gangi, pour la collaboration fructueuse que nous avons pu avoir. J’esp`ere
pouvoir encore partager son ardeur au travail dans un avenir proche.
Je n’aurai ´egalement jamais assez l’occasion de remercier Olivier Piccin pour son
co-encadrement, sa gentillesse, sa rigueur et son implication profonde dans l’ensemble du projet (je
n’imagine pas le nombre d’heures pass´ees a` dessiner les ´el´ements de la structure et `a corriger
mes fautes).
Par ailleurs, je tiens a` remercier Christophe Doignon, bien que ne m’ayant pas officiellement
co-encadr´e, pour avoir partag´e avec moi un travail de recherche en vision r´eellement passionant
par son originalit´e.
Naturellement, merci ´egalement `a l’entourage des permanents de l’´equipe Automatique,
Vision et Robotique du LSIIT, sp´ecialement Bernard et Jacques, pour avoir partag´e leurs
connaissances techniques et th´eoriques, tout en exprimant une sympathie toujours renouvel´ee. Merci
aussi aux permanents de l’´equipe non impliqu´es directement dans ce travail : Eric, Joana, Iulia.
Merci `a mes coll`egues doctorants ou ex-doctorants du LSIIT. Je me rappelle avec plaisir des
parties de Frozen-Bubble et autres d´egustations oenologiques accompagn´ees de pizzas.
AinsijemeremercieFlorent,quim’aaccompagn´edanscetteaventuredelath`ese:lesquatre
ann´ees que nous avons pass´e `a travailler cˆote-`a-cˆote ont ´et´e un vrai plaisir.
Romuald avec qui j’ai pu re-d´ecouvrir la danse de couple et forger une amiti´e sinc`ere.
L’organisation des JJCR 15 fut une vrai corv´ee, mais que de souvenirs!
Alex et Phillipe, qui, malgr´e leur p´eriode intensive de r´edaction, nous ont imm´ediatement
accueilli lors du d´ebut de notre th`ese. Alex, j’ai encore ton poussin qui traine sur mon bureau.
Estelle, pour avoir partag´e une partie de son espace de travail avec moi (encore f´elicitation
pour tes deux fils).
Les futurs-docteurs : Lo¨ıc, Adlane, Laurent, les autres... Bon courage et r´eussite `a tous!
Enfin, je tiens tout particuli`erement `a remercier ceux sans qui cette th`ese n’aurait pas ´et´e
possible : ma famille et mes amis.Merci `a mes parents de m’avoir appris `a rester toujours simple et a` appr´ecier la vie telle
qu’elle se pr´esente.
Merci `a ma grand-m`ere grˆace a` qui j’ai pu entamer (et finir) mes ´etudes.
Merci `a mes amis de r´egion parisienne et provinoise, pour m’avoir rendu visite lors des
p´eriodes festives.
Merci `a mes amis de l’Ensps, notamment Binˆome et Hugues, pour leur amiti´e sinc`ere, mˆeme
apr`es de longues p´eriodes sans avoir de mes nouvelles.
Enfin, merci a` toi Virginie, pour avoir su m’´epauler et partager ces longues soir´ees de travail,
avec des hauts et des bas. Tu es la seule qui a vu l’envers du d´ecor et je te remercie infiniment
de ta pr´esence `a mes cot´es.
R´esum´e
Cetteth`eseconcernelaconceptionetlar´ealisationd’unassistantrobotiquepourlesproc´edures percutan´ees par retour scanner (tomographie a` rayons X par densitom´etrie, ou TDM).
Les radiologues utilisent la tomodensitom´etrie `a rayons X afin de guider des aiguilles, par
exemple jusqu’`a des tumeurs, lors de proc´edures de destruction par radiofr´equence. Le
guidage implique l’acquisition renouvel´ee d’images pendant l’insertion de l’aiguille. Cette
expositionr´ep´et´ee´etantnocive,nousavonspropos´eunassistantquisesubstitueaubrasduradiologue
pendantlesphasesinitialesd’alignementetdemaintiendel’aiguille.Leprincipefondamentalde
notre syst`eme est la s´eparation de la tˆache d’insertion en deux sous-tˆaches compl´ementaires et
mutuellementexclusives:l’uneestlepositionnement`al’aided’unmanipulateuractif,l’autreest
l’insertion, accompli par un guide passif ou un dispositif d’enfoncement t´el´e-op´er´e dans un futur
proche. Un cahier des charges pr´ecis du manipulateur de positionnement a´et´e´etabli, lequel
permet d’´ebaucher une solution cin´ematique. De cette solution cin´ematique, nous avons con¸cu un
manipulateur parall`ele `a cinq degr´es de libert´e. Apr`es l’´etude des mod`eles classiques : mod`eles
g´eom´etriques inverse et direct, mod`ele cin´ematique, nous avons propos´e des r´esultats de
simulation permettant d’appr´ehender la mobilit´e et l’espace de travail du manipulateur. Puis, nous
avons d´ecrit la r´ealisation issue de la conception assist´ee par ordinateur de la structure : choix
d’actionneurspi´ezo-´electriques,mat´eriaux,simulationr´ealisteavecpriseencomptedescollisions,
et commande en position avec g´en´eration de trajectoire sans collision entre deux consignes. Par
la suite, et afin de placer automatiquement un intrument suivant une trajectoire d´efinie dans
une image TDM, nous avons expos´e une m´ethode de localisation par marqueur tridimensionnel,
bas´ee sur la st´er´eotaxie. En mod´elisant de mani`ere g´eom´etrique le probl`eme d’estimation de
pose, nous avons donn´e des m´ethodes analytiques et num´eriques utilisables dans un algorithme
automatique d’appariement et de calcul de la pose sans intervention manuelle. Des premi`eres
exp´erimentations en conditions cliniques terminent ce travail de th`ese : positionnement
automatique a` partir d’une coupe scanner, pointage par laser et avec une aiguille, enfoncement manuel
avec guidage robotique sur des cibles de taille inf´erieure `a 5 mm. Ces r´esultats, r´ealis´es sur un
mannequin, sont une premi`ere ´evaluation de la pr´ecision de l’ensemble du syst`eme robotique et
de la robustesse des m´ethodes de reconstruction de pose.Summary
This thesis deals with the design and engineering of a robotic assistant dedicated to
percutaneous procedures with CT-scan visual feedback.
CT-scan visual feedback is commonly used by radiologists for example, to guide needles
into tumors in the case of radio-frequency ablation. While constantly checking the position
of the tip of the needle, radiologists are repeatedly exposed to harmful X-rays. To cope with
this issue, we propose a novel robotic system that will replace the arm of the radiologist when
he or she initially looks for