Design and control of a haptic device for minimally invasive surgery simulation

par Mohamed Guiatni

Thèse de doctorat en Robotique

Sous la direction de Abderrahmane Kheddar.

Le président du jury était Vincent Hayward.

Le jury était composé de Christian Duriez, Jean-Loup Florens.

Les rapporteurs étaient André Crosnier, Gábor Székely.

  • Titre traduit

    Conception et commande d'un dispositif à rendu haptique dans le cadre de la simulation de chirurgie minimalement invasive


  • Résumé

    L'objectif principal de cette thèse est de développer une nouvelle interface pour la simulation des procédures de chirurgie mini-invasive. L'interface développée introduit les modalités visuelle, haptique et thermique pour les futures générations de simulateurs et de robots chirurgicaux. La particularité de cette recherche réside dans l'utilisation de la stimulation thermique dans une perspective d'application pour la chirurgie. Dans ce cadre, plusieurs modèles de transfert de chaleur ont été développés, implémentés et évalués pour des applications de téléprésence et de réalité virtuelle. Des sensations intéressantes ont été enregistrées, ce qui a une conséquence directe sur la capacité de distinguer entre des objets dans l'environnement et particulièrement dans le domaine médical où la sensation thermique est en corrélation avec la présence d'anomalies dans certaines maladies. Un nouveau dispositif haptique est conçu et réalisé en analysant les tâches chirurgicales en termes de dextérité, d'espace de travail, de force et de couple exigés. Nous avons tenu compte des exigences générales de conception mécaniques des interfaces haptiques à partir de ce qui a été établi dans la littérature de l'haptique. Le dispositif complet a été interfacé avec un logiciel de simulation en réalité virtuelle (SOFA). Nous avons intégré dans SOFA le module nécessaire pour la simulation thermique. L'intégration était réussie et un scénario de simulation réaliste avec le retour d'information visuel que thermique a été réalisé. Des résultats préliminaires utilisant la simulation complète sont présentés.


  • Résumé

    The main objective of this thesis focuses on the construction of a new interface for Minimally Invasive Surgery training. This interface incorporates novel broad band sensory modalities that include visual, haptic and thermal technology, into the evolution of the next generation of surgical robotic and surgical simulator. Our particular novelty in this research is in using of thermal stimulation in a MIS applied perspectives. Several thermal exchange models have been designed, implemented and evaluated for telepresence and virtual reality applications. Interesting sensations have been recorded which have a direct bearing on the ability to distinguish between objects in the surrounding environment and particularly in the medical field where temperature sensing correlates with anomalies in some know diseases. A new haptic device is designed and realized by analyzing surgical tasks in terms of required dexterity, workspace, force and torque. The mechanical design constraints have been considered with respect to the general requirements for haptic interface design from what has been well established in the haptics literature. The overall device has been interfaced with an open source VR simulator (SOFA). We added in SOFA the necessary software dealing with thermal simulation using built-in data structure and methods. The integration was successful and a realistic simulation scenario with both visual and thermal feedback was achieved. Preliminary results using the overall simulation are presented.


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