A novel haptic model and environment for maxillofacial surgical operation planning and manipulation

This paper presents a practical method and a new haptic model to support manipulations of bones and their segments during the planning of a surgical operation in a virtual environment using a haptic interface. To perform an effective dental surgery it is important to have all the operation related information of the patient available beforehand in order to plan the operation and avoid any complications. A haptic interface with a virtual and accurate patient model to support the planning of bone cuts is therefore critical, useful and necessary for the surgeons. The system proposed uses DICOM images taken from a digital tomography scanner and creates a mesh model of the filtered skull, from which the jaw bone can be isolated for further use. A novel solution for cutting the bones has been developed and it uses the haptic tool to determine and define the bone-cutting plane in the bone, and this new approach creates three new meshes of the original model. Using this approach the computational power is optimized and a real time feedback can be achieved during all bone manipulations. During the movement of the mesh cutting, a novel friction profile is predefined in the haptical system to simulate the force feedback feel of different densities in the bone

Approches de commande adaptative d’une orthèse actionnée de la cheville pour l’assistance à la marche

Neuro-motor deficiencies following a stroke can lead to a poor control of the ankle joint during walking. One of the major symptoms that illustrate this deficiency is the foot drop that appears along the swing phase. In recent years, robotic rehabilitation devices have been the subject of numerous research projects around the world. These devices can enable the patient to achieve the same levels of functional recovery as those achieved with conventional rehabilitation while reducing the workload of physical therapists.This thesis deals with the problem of the control of an actuated ankle-foot orthosis intended for the walking assistance of paretic patients with motor deficiencies at the ankle level. The originality of our work lies in the consideration of the evolution of the gait cycle in the controlled assistance. The other remark of our work lies in the development of control laws that guarantee the patient safety and a good performance in terms of trajectory tracking accuracy, robustness with respect to parametric uncertainties, variability between subjects and external disturbances.Three control approaches for reference trajectory tracking are proposed. These approaches have the advantage of not requiring the prior identification of the orthosis-human system parameters. The reference trajectory is generated in real time with an algorithm that exploits the interaction of the feet with the ground to detect the sub-phases of the gait cycle.The first approach proposed is a model reference adaptive control that adapts the assistance torque according to the tracking error. This control uses a projection function to limit the values of the adaptive parameters of the control law. A saturation operator is also introduced to limit the assistance torque. The second approach is an adaptive proxy-based sliding mode control that can change the damping effect at the ankle during the transition from the stance phase to the swing phase. The adaptive nature of this controller makes it possible to compensate for changes in system dynamics during the gait cycle, while the use of the sliding mode makes it possible to guarantee good performance in terms of trajectory tracking. The third approach is an active disturbance rejection control. An extended state observer is used to estimate the disturbances to which the orthotic-human system is subjected in order to compensate for their effects and improve trajectory tracking performance. For each control approach, a Lyapunov stability study is conducted.The three control approaches have been validated experimentally with the participation of healthy subjects and paretic patients. Regarding the latter, the clinical evaluations were carried out in collaboration with the Department of Physical Medicine and Rehabilitation of the Mondor Hospital.Les déficiences neuro-motrices subies à la suite d’un accident vasculaire cérébral, peuvent se traduire par un mauvais contrôle de l’articulation de la cheville lors de la marche du sujet. Un des symptômes majeurs qui illustre cette déficience est celui du « foot drop » ou pied tombant qui apparait le long de la phase d’oscillation. Ces dernières années, les auxiliaires de rééducation robotisés ont fait l’objet de nombreux travaux de recherche à travers le monde. Ces dispositifs peuvent permettre au patient d’atteindre les mêmes niveaux de récupération fonctionnelle que ceux obtenus avec une rééducation conventionnelle tout en réduisant la charge de travail des médecins thérapeutes.Cette thèse traite du problème de la commande d’une orthèse active de l’articulation de la cheville (AAFO-Actuated Ankle Foot Orthosis) destinée à l’assistance à la marche des patients parétiques présentant des déficiences motrices au niveau de l’articulation de la cheville. L’originalité de nos travaux se situe dans la prise en compte de l’évolution du cycle de marche du sujet dans les commandes orientées assistance. L’autre spécificité de nos travaux réside dans le développement de lois de commande garantissant la sécurité du patient et de bonnes performances à la fois en termes de précision de poursuite de trajectoire, de robustesse vis-à-vis des incertitudes paramétriques, de la variabilité entre sujets et des perturbations externes.Trois approches de commande pour le suivi d’une trajectoire de référence sont proposées. Ces approches présentent l’intérêt de ne pas nécessiter l’identification préalable des paramètres du système orthèse-humain. La trajectoire de référence est générée en temps réel à partir d’un algorithme exploitant l’interaction du pied avec le sol pour détecter les sous-phases du cycle de marche.La première approche proposée est une commande adaptative par modèle de référence pour adapter le couple d’assistance en fonction de l’erreur de suivi. Cette commande utilise une fonction de projection pour borner les valeurs des paramètres adaptatifs de la loi de commande. Un opérateur de saturation est également introduit pour borner le couple d’assistance. La deuxième approche est une commande adaptative par modes glissants basée proxy pour contrôler l’effet d’amortissement au niveau de la cheville lors de la transition de la phase d’appui vers la phase d’oscillation. La nature adaptative de cette commande permet de compenser les modifications de la dynamique du système pendant le cycle de marche tandis que l’utilisation des modes glissants permet de garantir de bonnes performances en termes de suivi de trajectoire. La troisième approche est une commande par rejet actif des perturbations. Un observateur d’état étendu est ainsi utilisé pour estimer les perturbations auxquelles est soumis le système orthèse-humain afin de compenser leurs effets et améliorer les performances de suivi de trajectoire. Pour chaque approche de commande, une étude de stabilité au sens de Lyapunov est menée.Les trois approches de commande ont été validées expérimentalement avec la participation de sujets sains et de sujets parétiques. Concernant ces derniers, les évaluations cliniques ont été effectuées en collaboration avec le service de médecine physique et de réadaptation du CHU Mondor

Idealising mesh modelling for haptic enabled services and operands

Communicating the knowledge and science of product engineering, analysis and manufacturing planning is an area of continued research driven by the digital economy. Virtual Reality (VR) is a generally accepted interactive digital platform which industry and academia have used to model engineering workspaces. Interactive services that generate a sense of immersion, particularly the sense of touch to communicate shape modelling and manipulation, is increasingly being used in applications that range from Design For Manufacturing and Assembly (DFMA) and Process Planning (PP) to medical applications such as surgical planning and training. In simulation, the natural way for solid modelling is the use of primitive geometries, and combinations of them where complex shapes are required, to create, modify or manipulate models. However, this natural way makes use of Booleans operands that require large computational times which make them inappropriate for real time VR applications. This work presents an insight on new methods for haptic shape modelling focused on Boolean operands on a polygon mesh. This is not meant as a contrast to point/mesh-editing methods, instead it is focused on idealising polygonal mesh modelling and manipulation for use with haptics. The resulting models retain a high level of geometric detail for visualisation, modelling, manipulation and haptic rendering