Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de ...

Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université Louis Pasteur Strasbourg I Discipline : Électronique, Électrotechnique, Automatique Spécialité : Robotique médicale par Loïc Cuvillon Soutenu publiquement le décembre Directeur de Thèse : Michel de Mathelin, Professeur, Université Louis Pasteur, Stras- bourg Rapporteur Externe : Olivier Sename, Professeur, Institut National Polytechnique de Grenoble Rapporteur Externe : PhilippePoignet,Maîtredeconférences,HDR,UniversitédeMont- pellier Rapporteur Interne : Saïd Ahzi, Professeur, Université Louis Pasteur, Strasbourg Examinateur : BradleyNelson,Professeur,ETH(InstitutFédéraldeTechnologie), Zurich Examinateur : Jacques Gangloff, Professeur, Université Louis Pasteur, Strasbourg Examinateur : EdouardLaroche,Maîtredeconférences,UniversitéLouisPasteur, Strasbourgii iiiivv Remerciements Je tiens à remercier en premier lieu le professeur Michel de Mathelin, mon directeur de thèse,JacquesGangloffetEdouardLaroche,mesco-encadrants.Sansleurexpertiseetleurami- cal soutien, je ne sais si cette thèse sur la thématique de la robotique médicale cardiaque aurait été menée à son terme. Je remercie également Olivier Sename, Professeur, Philippe Poignet, Maître de Conférence, et Saïd Ahzi, Professeur, d’avoir accepté cordialement d’être les rapporteurs de cette thèse, et d’avoirrelevélesinsuffisanceseterreursdumanuscrit.Jetienségalementàremercierleprofes- seur Brad Nelson, président du jury de cette thèse. Mes remerciements au Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et le conseil général de la Région Alsace pour le co-financement de cette recherche, ainsi qu’au personnel de l’Institut de Recherche sur les Cancers de l’Appareil Digestif (IRCAD) pour leur aide lors des expériences in-vivo, en particulier Alain et Antonello. Finalement, mon amitié et mes remerciements à tous les autres membres de l’Equipe AVR, une équipe chaleureuse, qui a contribué à mon épanouissement personnel et scientifique au cours de cette thèse : Iuliana Bara, Laurent Barbé, Bernard Bayle, Adlane Benlatreche, Joana Carvalho, Christophe Doignon, Benjamin Maurin, Kanako Miura, Florent Nageotte, Eric Oster- tag, Andrea Ranftl, Philippe Zanne et ceux que j’oublie peut-être.viRésumé La chirurgie laparoscopique robotisée permet d’envisager une nouvelle solution à la stabili- sation cardiaque dans les procédures de pontage coronarien : la compensation active. Celle-ci consiste à asservir une attitude constante entre la surface du coeur et l’outil porté par le robot médical. Cette compensation active peut se réaliser par un asservissement visuel rapide avec l’information délivrée par une caméra endoscopique. Sur cette problématique, notre première contribution est un modèle de prédiction du mou- vementcardiaque.Cemodèle,identifiéenligne,reposesurl’imagerierapideducoeuretl’acqui- sition simultanée du volume respiratoire et de l’électrocardiogramme. Notre seconde contribu- tionportesuruneméthodologied’identificationdel’ensembledesflexibilitésd’unmanipulateur médical léger. Elle permet la synthèse de correcteurs avancés améliorant les performances de l’asservissement visuel en hautes fréquences. Mots-clés: Robotique médicale, Chirurgie à coeur battant, Manipulateur flexible, Asservisse- ment visuel, Compensation de mouvement, Prediction de mouvement Abstract Robotized laparoscopic surgery allows to consider a new solution to beating heart sta- bilization in coronary artery bypass procedures : active compensation. It consists in the control of the relative position between the heart surface and a surgical tool held by a medical robot. Thisactivecompensationofheartmotioncanbecarriedoutthroughhighspeedvisualservoing using the information given by an endoscopic camera. On this issue, our first contribution is a predictive model of the heart motion. This model, identified online, is based on the high speed imaging of the heart and the simultaneous ac- quisition of ventilator airflow and ECG signals. Our second contribution is an identification methodology of the whole flexibilities of a lightweight medical manipulator. It allows to design advanced controllers to improve the performance of the visual servoing in high frequencies. Keywords: Medical robotics, Beating heart surgery, Flexible manipulator, Visual servoing, Mo- tion compensation, Motion predictionTable des matières Introduction générale xiii Acronymes xvii Partie I Le cœur et sa revascularisation, vers une chirurgie robotisée Chapitre 1 Maladies coronaires et chirurgie cardiaque de revascularisation 3 1.1 Le cœur et les artères coronaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 L’anatomie et le cycle cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Le couplage excitation-contraction et la genèse du signal ECG . . . . 7 1.1.3 Les artères coronaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 L’athérosclérose coronarienne et l’infarctus du myocarde . . . . . . . . . . . . 13 1.2.1 L’athérogenèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2.2 Lesconséquencesdel’athérosclérose:ischémieetinfarctusdumyocarde 16 1.2.3 Le diagnostique de l’athérosclérose : l’angiographie. . . . . . . . . . . 18 1.3 La revascularisation chirurgicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.1 L’angioplastie coronarienne transluminale . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.2 Le pontage coronarien sous CEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3.3 Une révolution : la chirurgie à cœur battant mini-invasive . . . . . . 29 Chapitre 2 Robotique médicale et chirurgie cardiaque 35 2.1 La robotique médicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.2 La chirurgie endoscopique robotisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 ixx Table des matières 2.2.1 Principe de la chirurgie endoscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2 La chirurgie endoscopique robotisée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3 Les asservissements visuels et la robotique médicale . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4 Compensation robotisée du mouvement cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.5 Objectifs de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Partie II Analyse et prédiction du mouvement cardiaque Chapitre 3 Analyse du mouvement cardiaque 47 3.1 Matériels et méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1.1 Protocole expérimental et sujet d’étude : le cœur porcin . . . . . . . . 49 3.1.2 Acquisition des signaux biologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.1.3 La mesure du mouvement par imagerie vidéo rapide . . . . . . . . . . 53 3.2 Le mouvement de l’épicarde en l’absence de respiration . . . . . . . . . . . . 54 3.2.1 Le battement cardiaque et sa stabilisation mécanique . . . . . . . . . 55 3.2.2 Les dynamiques du battement cardiaque. . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.2.3 Le battement cardiaque et l’arythmie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.3 Le mouvement de l’épicarde en présence d’une respiration contrôlée . . . . . 62 3.3.1 Extraction de la composante respiratoire du mouvement . . . . . . . . 64 3.3.2 Le mouvement respiratoire en fonction du volume pulmonaire . . . . 68 3.3.3 Le battement cardiaque sous une respiration contrôlée . . . . . . . . 68 3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Chapitre 4 Compensation et prédiction du mouvement cardiaque 73 4.1 La compensation du mouvement respiratoire du cœur en imagerie médicale (IRM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.1.1 L’apnée : une compensation passive limitée . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.1.2 Le gating respiratoire : une compensation passive par déclenchement synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.1.3 Des navigateurs pour la modélisation et la compensation active du mouvement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2 Les approches fréquentielles de compensation en chirurgie cardiaque . . . . . 79 4.3 Un modèle de prédiction du battement cardiaque utilisant les signaux biolo- giques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.3.1 Un modèle linéaire à paramètres variants du battement cardiaque . . 84 4.3.2 Le modèle de prédiction du mouvement de l’épicarde . . . . . . . . . 88 4.3.3 Évaluation et comparaison du modèle avec les approches fréquentielles 88