Comanipulation d’aiguille avec guidage haptique pour les interventions percutanées

Needle comanipulation with haptic guidance for percutaneous interventions

• Auteur / Autrice : Hadrien Gurnel
• Direction : Alexandre Krupa, Maud Marchal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Signal, Image, Vision
• Date : Soutenance le 16/01/2020
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Institut de recherche : Institut de Recherche Technologique b<>com
• Jury : Président / Présidente : Bruno Arnaldi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Krupa, Maud Marchal, Bruno Arnaldi, Céline Fouard, Pierre Vieyres, Christian Duriez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Céline Fouard, Pierre Vieyres

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ponction-biopsie

Chirurgie percutanée

Chirurgie -- Appareils et matériel

Toucher

Interaction homme-robot

Mots clés libres

Médical

Interventions percutanées

Aiguille

Guidage

Haptique

Comanipulation

Medical

Percutaneous interventions

Needle

Guidance

Haptics

Comanipulation

Résumé

Cette thèse s’inscrit dans le domaine des Gestes Médicaux et Chirurgicaux Assistés par Ordinateur et étudie le développement de méthodes de guidage du geste d’insertion d’aiguille durant des interventions percutanées. Ces dernières consistent à insérer une aiguille dans la peau du patient à travers un point d’entrée afin d’atteindre une cible. Aujourd’hui, le geste d’insertion d’aiguille est réalisé principalement manuellement. Celui-ci est complexe car la visibilité et les sensations tactiles du praticien sont limitées à travers le point d’entrée. Bien que l’intervention soit assistée par une modalité d’imagerie intraopératoire, telle que l’échographie, le sens du toucher du praticien n’est, quant à lui, pas assisté à l’heure actuelle. Ainsi, le but de cette thèse est de proposer des solutions de guidage du geste d’insertion d’aiguille par stimulation du sens du toucher du praticien. La première contribution de cette thèse est un prototype expérimental de guides haptiques dédiés au geste d’insertion d’aiguille comanipulée. Cela signifie que l’aiguille est manipulée de manière collaborative par le praticien et un système appelé comanipulateur, dans un espace de travail partagé. Ce prototype expérimental permet l’élaboration et le test, en simulation ou en conditions réelles, de guides haptiques du geste d’insertion d’aiguille. La seconde contribution de cette thèse est la conception de cinq guides haptiques permettant d’aider le praticien à correctement pré-positionner une aiguille sur un point d’entrée avec un angle d’incidence désiré sur des tissus. Une évaluation en deux étapes a été menée afin de mesurer le niveau de performance et d’ergonomie de chaque guide haptique, mais aussi de les comparer au geste de référence, réalisé sans guidage.

This thesis falls in the context of Computer-Assisted Medical and Surgical Gestures, and it deals with the development of methods for guiding the gesture of needle insertion during percutaneous interventions. The latter consist in inserting a needle into the patient’s skin through an entry point, in order to reach a target. Currently, the medical gesture of needle insertion is mostly performed manually, and it is complex because visibility and tactile sensations are limited through the entry point. Even though the intervention is assisted with some visual feedback provided by an intraoperative imaging modality, such as ultrasound, the sense of touch of the physician is not assisted in any way yet. Hence, the goal of this thesis is to propose solutions for guiding the gesture of needle insertion by stimulating the physician’s sense of touch. The first contribution of this thesis is a gestureguidance framework prototype, dedicated to percutaneous interventions performed with a comanipulated needle. This means that the needle is collaboratively manipulated by the physician and a system called comanipulator, in a shared workspace. This framework prototype makes it possible to design and test, both in simulation and in real conditions, methods for guiding the gesture of needle insertion with haptics. The second contribution of this thesis is the design of five haptic guides that help the physician correctly pre-position the needle on an entry point, with a desired angle of incidence, at the surface of some tissues. A two-stage evaluation was conducted to assess the performance and ergonomy of each guide and to compare them to the unassisted reference gesture.