Développement et évaluation d'un système de vision globale en chirurgie laparoscopique

Developpment and evaluation of a Global Vision System for Laparoscopic Surgery

• Auteur / Autrice : Bertrand Trilling
• Direction : Sandrine Voros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 15/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Cinquin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Voros, Philippe Cinquin, Jean-Luc Faucheron, Nady El Hoyek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Fuks, Marie-Aude Vitrani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équipements sanitaires

Coelioscopie

Mots clés libres

Laparoscopie

Vision élargie

Trocart laparoscopique

Dispositif médical

Laparoscopie augmentée

Coelioscopie

Vision chirurgicale

Évaluation dispositif médical

Laparoscopy

Enlarged vision

Laparoscopic port

Medical Device

Enhanced laparoscopy

Résumé

La laparoscopie est apparue comme une alternative révolutionnaire à la chirurgie conventionnelle par laparotomie à partir des années 1990. L'opérateur réalise alors la chirurgie à l’aide d’instruments fins dédiés insérés par des trocarts (cylindres étanches traversant la paroi abdominale) mesurant 5-10mm. Une caméra est insérée dans l'abdomen et un écran situé devant le chirurgien affiche l'image des organes à opérer. Cette révolution technique présente un réel bénéfice post-opératoire pour patient avec des durées d’hospitalisation et réhabilitations plus courtes. Néanmoins elle s’accompagne d’un inconfort pour le chirurgien, en partie lié à la perte de la vision de l’ensemble de la cavité abdominale et l’apparition de zones aveugles visibles en chirurgie conventionnelle ouverte.Ce travail de thèse s’adresse à cette problématique. Nous avons développé un Système de Vision Globale (SVG) permettant d’élargir le champ de vision de la cœlioscopie et de réduire les zones aveugles. Le SVG est un trocart optique innovant sur lequel 2 micro caméras sont déployées tout en permettant l’insertion de l’endoscope classique. Le projet a été réalisé au sein du laboratoire Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité, dans l'équipe Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur, sous la responsabilité du Dr Sandrine Voros, dans le cadre du projet ANR DEPORRA 2 et du projet « LabCom » ANR CQFD en collaboration avec la société SurgiQual Institute (SQI).La première partie décrit le bénéfice et les contraintes de la laparoscopie comme voie d'abord pour les procédures chirurgicales. Un état de l’art au sujet des innovations technologiques permettant d'améliorer certains inconvénients de cette voie d'abord est réalisé. Le contexte clinique, dans lequel le SVG a été développé, est décrit.La seconde partie aborde les aspects techniques du SVG. Le cahier des charges et les objectifs cliniques sont définis. Nous détaillons les problématiques rencontrées et les différents prototypes conçus qui ont permis d'aboutir à l'évaluation du SVG sur cadavre et sur cochons. Cette phase a été réalisée en collaboration avec la société SQI dans le cadre du projet LabCom CQFD, permettant ainsi de prendre en compte dès le début du projet les contraintes de compatibilité clinique des prototypes.La troisième partie expose l'évaluation du SVG sur banc d'essai laparoscopique sec en se basant sur les objectifs cliniques définis. Trois expérimentations ont eu lieu sur des populations différentes (novices et experts). Un simulateur et des exercices spécifiques ont été développés à cet effet. L’évaluation a permis de montrer que le SVG permettait la détection précoce d’un évènement indésirable sans augmentation du temps de réalisation ou de la charge mentale.La quatrième partie développe l'expérimentation sur cadavre et cochons réalisée à l'aide de chirurgiens experts sur des compétences chirurgicales complexes, qui fait suite aux résultats obtenus sur banc d'essai sec. Après une phase de test des différentes versions des prototypes, une étude de la sécurité d’utilisation a pu être faite. La preuve de concept a pu être démontrée sur modèle porcin vivant. L'intérêt clinique a, donc, pu être évalué sur un modèle animal au plus proche des conditions de la réalité clinique humaine. Les débriefings des différents experts ont été favorables et ont permis d’identifier les points d’amélioration nécessaires dans le futur.Le SVG, à son stade de prototype, a pu être efficacement testé chez le vivant. La maturation du prototype sur les aspects sécuritaires, notamment électroniques et de stérilisation, permettra de proposer les premiers tests chez l’humain.

In the 1990s, laparoscopic surgery was developed as a revolutionary alternative to conventional laparotomy surgery. The operator can perform the surgery using dedicated instruments inserted by trocars (sealed cylinders introduced through the abdominal wall) measuring 5 -10mm. A camera is inserted into the abdomen and a screen in front of the surgeon displays the image of the organs that need to be operated. This technical revolution has a real postoperative benefit for patients with shorter hospitalization and rehabilitation periods. Nevertheless it is accompanied by discomfort for the surgeon, partly related to the loss of vision of the entire abdominal cavity and the appearance of blind spots that are visible in conventional open surgery.This thesis work addresses this problem. We have developed a Global Vision System (GVS) to expand the field of view of laparoscopy and reduce blind areas. GVS is an innovative optical trocar on which 2 micro cameras are deployed and allow the insertion of the usual endoscope. The project was carried out in the Laboratory of Medical Engineering and Complexity (TIMC), in the Computer Assisted Medico-Surgical Gestures team (GMCAO), under the responsibility of Dr. Sandrine Voros, as part of the ANR DEPORRA 2 project and the "LabCom" project ANR CQFD in collaboration with SurgiQual Institute (SQI).The first part describes the benefit and constraints of laparoscopy for surgical procedures. A state of the art about technological innovations to improve certain disadvantages of this approach is provided. The clinical context of the GVS is given.The second part deals with the technical aspects of GVS. The specifications and the clinical objectives are defined. We detail the problems encountered during the development and the different prototypes designed that led to the evaluation of GVS on cadaver and pigs. This phase was carried out in collaboration with SQI as part of the LabCom CQFD pt, thus making it possible to take into account, from the beginning of the project, the constraints of clinical compatibility of the prototypes (sterilization, electrical compatibility, etc).The third part describes the evaluation of GVS on dry laparoscopic test bench based on the defined clinical objectives. Three experiments took place on different populations (novices and experts). A simulator and specific exercises have been developed for this purpose. The evaluation showed that GVS allowed the early detection of an adverse event without increasing the time of completion or the mental load.The fourth part develops the experiment on cadaver and pigs carried out with the help of surgeons experts on complex surgical skills, which follows the results obtained on dry test bench. After a test phase of the different versions of the prototypes, a study of the safety of use could be made. The proof of concept could be demonstrated on live porcine model. Thus, the clinical interest could be evaluated on an animal model closer to the conditions of real human surgery. The debriefings of the various experts were favorable and helped to identify the points of improvement necessary in the future.The GVS prototype has been effectively tested in live model. The maturation of the prototype on the security aspects, in particular electronic, and sterilization, will make it possible to pursue the first human tests.