Guidage automatique d'une sonde échographique robotisée par asservissement visuel basé sur les moments extraits de l'image ultrasonore

Automatic guidance of robotized 2D ultrasound probes with visual servoing based on image moments

• Auteur / Autrice : Rafik Mebarki
• Direction : François Chaumette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et télécommunications
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement du signal

Imagerie ultrasonore

Robotique en médecine

Résumé

This dissertation presents a new 2D ultrasound-based visual servoing method. The main goal is to automatically guide a robotized 2D ultrasound probe held by a medical robot in order to reach a desired cross-section ultrasound image of an object of interest. This method allows to control both the in-plane and out-of-plane motions of a 2D ultrasound probe. It makes direct use of the 2D ultrasound image in the visual servo scheme, where the feed-back visual features are combinations of image moments. To build the servo scheme, we develop the analytical form of the interaction matrix that relates the image moments time variation to the probe velocity. That modeling is theoretically verified on simple shapes like spherical and cylindrical objects. In order to be able to automatically position the 2D ultrasound probe with respect to an observed object, we propose six relevant independent visual features to control the 6 degrees of freedom of the robotic system. Then, the system is endowed with the capability of automatically interacting with objects without any prior information about their shape, 3D parameters, nor 3D location. To do so, we develop on-line estimation methods that identify the parameters involved in the built visual servo scheme. We conducted both simulation and experimental trials respectively on simulated volumetric objects, and on both objects and soft tissues immersed in a water-filled tank. Successful results have been obtained, which show the validity of the developed methods and their robustness to different errors and perturbations especially those inherent to the ultrasound modality. Keywords: Medical robotics, visual servoing, 2D ultrasound imaging, kinematics modeling, model-free servoing.

Cette thèse présente de nouvelles méthodes permettant de guider automatiquement une sonde échographique actionnée par un robot médical. Nous proposons d'utiliser des informations visuelles basées sur des moments 2D extraits de l'imagerie échographique. Cela nécessite l'obtention de la matrice d'interaction qui lie ces informations à la vitesse de la sonde (ou bien du robot porteur de cette dernière). Nous présentons de nouvelles bases théoriques qui ont permis de développer l'expression analytique exacte de cette matrice. Nous avons également élaboré six informations visuelles indépendantes permettant de contrôler les six degrés de liberté de la sonde et ainsi de pouvoir positionner automatiquement la sonde par rapport à l'objet observé. Le système robotique est aussi capable d'interagir avec des objets dont aucune connaissance préalable sur leur forme (paramètres 3D, position dans l'espace 3D) n'est disponible. Pour cela, nous avons développé une méthode efficace qui estime en-ligne les paramètres 3D intervenant dans la matrice d'interaction. Enfin, nous présentons des résultats de simulations et d'expérimentations obtenus respectivement à partir d'objets 3D simulés et d'une plate-forme expérimentale constituée d'un robot médical à six degrés de liberté, portant une sonde qui interagit avec des objets immergés dans une bassine d'eau. Ces résultats ont validé les méthodes développées dans cette thèse et ont montré leur robustesse au bruit des images échographiques.