Commande basée images d`endoscopes flexibles

Commande basée images d’endoscopes
flexibles robotisés pour le positionnement
d’instruments de diagnostic ou de thérapie
Proposition d’un sujet de thèse soutenu par le LABEX CAMI, http://cami-labex.fr/
Lieu de la thèse : ICUBE, collaboration avec ISIR Paris
Personnes à contacter :
Directeur de thèse : Michel de Mathelin, ICube, [e-mail]
Florent Nageotte, ICube, Nageot[email protected]
Collaboration : Jérôme Szewczyk, ISIR, [email protected]
Démarrage de la thèse : octobre 2016.
1. Le contexte CAMI
Les interventions médicales ont encore une marge de progrès très significative en termes de
planification personnalisée et de réalisation optimale. Pour répondre aux exigences du patient au
niveau de la qualité, les opérateurs séniors veulent voir au-delà de l’immédiatement visible, être
assistés dans leur prise de décisions vitales en temps réel, et accéder à une dextérité augmentée. Les
opérateurs juniors demandent à « apprendre à voler » avant d’être laissés seuls, tandis que les
autorités de Santé Publique et les industriels demandent la démonstration du service médical rendu
par les innovations.
La vision stratégique du LABEX Computer Assisted Medical Interventions (CAMI) est qu’une approche
intégrée des interventions médicales résultera en percées en termes de qualité des interventions
médicales, observable en pratique par le service médical rendu et par le degré de pénétration de la
technologie CAMI dans la pratique clinique de routine.
Parmi les différentes actions entreprises dans le cadre du LABEX CAMI figure le financement de 6 à
10 bourses de thèses démarrant chaque année. Sont privilégiés les sujets s’inscrivant dans le champ
scientifique du LABEX et se déroulant en collaboration avec plusieurs partenaires CAMI. Le présent
sujet de thèse s’inscrit dans de cadre.
2. Contexte et objectifs
En endoscopie flexible, la réalisation de tâches médicales requérant un positionnement précis des
instruments par rapport aux organes est très difficile, principalement en raison de la transmission
mécanique des mouvements sur de longues distances. La difficulté est encore renforcée lorsque les
tissus cibles sont en mouvement en raison des mouvements physiologiques (mouvement cardiaque,
mouvement respiratoire, ondes peristaltiques).

Pourtant, les besoins médicaux sont importants, que ce soit pour réaliser des diagnostics précis, tels
que des biopsies optiques ou pour la réalisation de gestes thérapeutiques qui minimisent l’invasivité
pour les patients.
La motorisation et la robotisation d’endoscopes flexibles permettent de réduire la difficulté de
manipulation par exemple grâce à la téléopération qui permet de rendre le déplacement des degrés
de liberté distaux plus intuitif [DeDonno2013, Ruiter2013, Wang2012]. Toutefois, les difficultés de
positionnement précis demeurent car les retards et les non linéarités de transmission restent
présents. Les tâches de positionnement et de réalisation de trajectoire restent donc très difficiles,
alors que la technique purement médicale requise est assez limitée.
Une solution aux problèmes de positionnement peut s’appuyer sur la commande automatique totale
ou partielle des endoscopes. Les tâches de positionnement sont en effet simples à définir totalement
par un médecin avant leur réalisation, soit à partir des images endoscopiques, d’imageurs embarqués
dans l’endoscope ou en utilisant des images pré-opératoires provenant d’autres modalités. On peut
donc envisager une réalisation autonome, dans le cas où tous les mouvements seraient motorisés, ou
partiellement autonome, dans le cas où les mobilités seraient partagées entre un opérateur humain
tenant l’endoscope et un robot contrôlant les degrés de libertés distaux. L’intérêt pour les médecins
réside dans la réduction importante de la charge cognitive et mentale requise pour ces gestes,
En endoscopie flexible peu de gestes ont été proposés à l’automatisation. On peut citer le suivi
automatique de cibles anatomiques [Ott2011], mais les méthodes de commande répétitive utilisées
dans ces travaux ne peuvent pas être directement étendues à des mouvements quelconques,
notamment ceux appliqués par l’utilisateur. En laparoscopie, on peut citer la création de mosaïques
d’images de microscopie confocale [Rosa2013]. Mais le positionnement est ici réalisé au contact. Ces
travaux ont toutefois démontré que l’estimation in situ du comportement des endoscopes flexibles
et/ou des tissus permet d’améliorer fortement les performances de positionnement.
3. Sujet détaillé
L’objectif de ce travail de thèse est de proposer des solutions robotiques pour le
positionnement précis d’instruments en endoscopie flexible. Plusieurs aspects pourront être
traités :
- le développement de boucles de positionnement utilisant les images fournies par
l’endoscope flexible et les images fournies par d’autres imageurs embarqués. Les
mouvements physiologiques et les comportements du système endoscopique devront être
pris en compte et on pourra s’intéresser à des méthodes d’intelligence artificielle permettant
d’obtenir des modèles in situ ;
- la coopération entre l’utilisateur et la partie autonome du système, que ce soit dans le cas
d’une comanipulation ou d’une télémanipulation. Dans ce cadre on pourra s’intéresser à
l’effet des mouvements de l’utilisateur sur le système et au type de retour à fournir à
l’utilisateur pour l’aider au contrôle des mobilités dont il a la charge ;
- le développement de solutions mécatroniques permettant de mettre en oeuvre les
approches envisagées.

Applications
Les méthodes pourront être appliquées sur les systèmes endoscopiques disponibles au laboratoire
ICube, en particulier un système pour la chirurgie par laser et un système de biopsie optique par OCT
(Optical Coherence Tomography) actuellement en cours de conception.
Références
[DeDonno2013] A. De Donno, F. Nageotte, P. Zanne, L. Zorn et M. de Mathelin, « Master / slave
control of flexible instruments for minimally invasive surgery», in IEEE/RSJ International Conference
on Intelligent Robots and Systems, Tokyo, November 2013.
[Ott2011] L. Ott, F. Nageotte, P. Zanne, et M. de Mathelin, « Robotic Assistance to Flexible Endoscopy
by Physiological-Motion Tracking », in IEEE Transactions on Robotics, pp. 346-359, vol. 27, no. 2,
2011.
[Rosa2013] B. Rosa, M. Erden, T. Vercauteren, B. Herman, J. Szewczyk et G. Morel, « Building large
mosaics of confocal endomicroscopic images using visual servoing », in IEEE Transactions on
Biomedical Engineering, pp.1041-1049, vol.60, n°4, avril 2013.
[Ruiter2013] J. Ruiter, G. Bonnema, M. van der Voort et J. Broeders, « Robotic control of a traditional
flexible endoscope for therapy », Journal of Robotic Surgery, vol. 7, no. 3, pp. 227–234, 2013.
[Wang2012] Z. Wang, S.J.Phee, D. Lomanto, R. Goel, P. Rebala, Z.L. Sun, S. Trasti, N. Reddy, J.Y. Wong
et K.Y. Ho, « Endoscopic submucosal dissection of gastric lesions by using a master and slave
transluminal endoscopic robot: an animal survival study », in Endoscopy, vol. 44, no. 7, pp. 690-694,
juillet 2012.
4. Déroulement proposé et mode de collaboration dans CAMI
Le doctorant sera accueilli dans l'équipe AVR (Automatique, Vision, Robotique) du laboratoire ICube
(UMR 7357 CNRS – UDS) sur la plateforme de robotique médicale de l'équipe AVR située à l'Ircad. Le
travail sera réalisé en collaboration avec l’équipe AGATHE de l’ISIR.
Profil des candidats recherchés