Commande d'un robot de télé-échographie par asservissement visuel

Les robots légers utilisés pour la télé-échographie robotisée permettent, à l'expert médical, d'orienter à distance une sonde ultrasonore 2D. L'analyse en temps réel de l'image ultrasonore du patient, reçue via un lien de communication, permet à l'expert de définir un diagnostic. Les validations cliniques du concept de télé-échographie robotisée montrent qu'il est ainsi possible de pallier le manque d'experts en ultrasonographie sur des sites médicalement isolés. Le robot porte-sonde est positionné et maintenu sur le corps du patient par un assistant à partir des informations communiquées par le spécialiste via visioconférence. Cependant, la faible masse du robot, le fait qu'il soit maintenu par un assistant sur le corps du patient et les mouvements physiologiques du patient provoquent des perturbations dans la position de la sonde et engendrent ainsi des pertes des sections d'intérêt des organes étudiés. Les travaux de cette thèse ont consisté à développer une approche par asservissement visuel basé sur les moments d'image ultrasonore 2D. Le calcul des moments 2D étant basé sur les points du contour de la section d'intérêt, un algorithme de traitement d'images efficace est nécessaire pour détecter et suivre le contour d'intérêt en mouvement. Pour cela, une méthode de contour actif paramétrique basée sur les descripteurs de Fourier est présentée. Les lois de commandes correspondant à trois tâches autonomes autorisant la recherche et le maintien de visibilité d'un organe lors de l'acte médical télé-opéré sont implémentées et validées sur la plateforme robotique du projet ANR Prosit.The light weight robots used for robotized tele-echography allow the medical expert to remotely operate a 2D-ultrasound probe. The real-time analysis of the patient's ultrasound images, received via a standard communication link, provides the expert with relevant information to define a diagnosis. The clinical validations of the robotized tele-echography concept show that it is possible to overcome the lack of sonographers in medically isolated sites. The robot probe-holder is usually positioned and held on the patient's body by a paramedical staff based on information provided by the specialist via videoconferencing. However, the small mass of the robot, the fact that it is held by an assistant on the patient's body and the patient's physiological movements cause disturbances in the position of the probe ; this thus can generate a loss of the region of interest of the organ being under investigation during the teleoperated medical act. This thesis work focuses on the development of a visual servoing approach based on 2D ultrasound image moments. 2D moments calculation is based on the contour points of the image section of interest, therefore an image-processing algorithm is needed to effectively detect and follow the contour of interest in motion. For this reason, a parametric active contour method based on Fourier descriptors is presented. The control laws, corresponding to three independent autonomous tasks to search and maintain the visibility of an organ within a given ultrasound plane during the tele-operated medical act are implemented and validated on robotic platform project ANR Prosit.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF

A Review of Pneumatic Actuators Used for the Design of Medical Simulators and Medical Tools

International audienc

A User Interface for Mobile Robotized Tele-echography

Ultrasound imaging allows the evaluation of the degree of emergency of a patient. However, in many situations no experienced sonographer is available to perform such echography. To cope with this issue, the OTELO project “mObile Tele-Echography using an ultra-Light rObot” (OTELO) aims to develop a fully integrated end-to-end mobile tele-echography system using an ultralight, remotely controlled six degree-of-freedom (DOF) robot. In this context, this paper deals with the user interface environment of the OTELO system, composed by the following parts: an ultrasound video transmission system providing real-time images of the scanned area at each moment, an audio/video conference to communicate with the paramedical assistant and the patient, and finally a virtual reality environment, providing visual and haptic feedback to the expert, while capturing the expert's hand movements with a one-DOF hand free input device

Contribution à la commande bilatérale et à la gestion des configurations singulières pour le suivi de trajectoire d'un système télé-opéré (application à la télé-échographie robotisée)

Les objectifs scientifiques de ces travaux de thèse reposent sur le développement d une plateforme robotisée pour la réalisation d un acte d échographie à distance. Les contraintes de cet acte médical à distance ont conduit à la réalisation d un robot sériel à cinq degrés de liberté. La présence d une singularité centrale a conditionné la proposition d une loi de commande cinématique pondérée dont l objectif est d assurer le meilleur suivi du geste médical et le maintien du plan ultrasonore à l approche de la singularité. Cette loi de commande est basée sur une combinaison linéaire de l inverse et de la pseudo-inverse de la matrice jacobienne de base du robot. Les réseaux haut débit sont nécessaires pour l utilisation de la plateforme télé-opérée afin d assurer une très bonne qualité des images échographiques reçues par l expert. Cependant, ils sont soumis à de forts délais de transmission perturbant la stabilité du système robotique et le ressenti des interactions robot/patient. L architecture de commande bilatérale passive proposée est basée sur le formalisme des variables d ondes, et inclut les structures mécatroniques des postes maître et esclave, et les caractéristiques des liens de communication. Cette approche garantit, quels que soient les délais de transmission, la stabilité et la transparence de la plateforme télé-opérée. La prise en compte de l ensemble des caractéristiques mécatroniques de la chaîne télé-opérée a permis de proposer une méthodologie pour l adaptation d impédance afin d améliorer le rendu haptique au niveau du poste maître. Des expérimentations par satellite ont validé l approche de la structure bilatérale et confirmé la stabilité et la transparence de la chaîne télé-opérée quels que soient les délais de communication.The scientific objectives of this PhD thesis work are based on the development of a robotic platform used to perform tele-echography act via satellite link. The constraints of the remote tele-echography procedure led to the development of a 5-DOF serial robot. The presence of a central singularity has conditioned the proposal of a weighted kinematic control law to ensure a better monitoring of medical procedure and ultrasonic plan when approaching the singularity. This control law is based on a linear combination of the inverse and pseudo-inverse of the Jacobian matrix. Broadband networks are required to provide high quality ultrasound images to the medical expert. However, they are subject to high transmission delays disrupting the stability of the robotic system and rendering of robot/patient interactions. The passive bilateral control architecture proposed is based on the wave variables approach ; it includes the mechatronic master and slave characteristics, and the communication links characteristics. This approach ensures stability and transparency of the tele-operated platform whatever the transmission time delay. A methodology for impedance matching taking into account the characteristics of mechatronic tele-operated chain has improved haptic rendering at the station master. Satellite experiments have validated the proposed wave variables bilateral structure and confirmed the stability and transparency of the tele-operated chain for any communication delays.ORLEANS-SCD-Bib. electronique (452349901) / SudocSudocFranceF

Contributions à la conception et commande de robots de télé-échographie

L'acte médical réalisable à distance est un enjeu important qui s'inscrit dans le contexte de l'accroissement des réseaux et technologies de télémédecine. Nous exposons ici le travail effectué sur deux chaînes robotisées de téléopération, Teresa et Otelo I, pour l'échographie de patients distants. Ces systèmes de télé-échographie sont constitués de trois composantes principales sur lesquelles a porté ce travail de thèse. - Un site +- expert a : où nous avons développé pour l’expert médical des interfaces mécaniques et graphiques ergonomiques pour le contrôle du robot distant. Le médecin dispose d'une sonde fictive peudo-haptique dédiée et instrumentée pour piloter le robot. - Le média de communication : pour s'adapter facilement aux différents supports de communication disponibles (ISDN, ADSL, LAN, Satellite, etc.), un code logiciel permettant une communication sur protocoles IP a été développé. - Un site +- patient a : où se situe le robot et son dispositif de contrôle. Nous avons réalisé le contrôle du robot et proposé en particulier une gestion originale des singularités et la prise en compte de la gigue du retard de communication pour la génération des trajectoires articulaires.ORLEANS-BU Sciences (452342104) / SudocTOULON-BU Centrale (830622101) / SudocSudocFranceF

Contribution à la navigation de robots mobiles (approche par modèle direct et commande prédictive)

L autonomie d un robot mobile autonome requiert la réalisation coordonnée de tâches de commande et de perception de l environnement. Parmi celles-ci, la navigation joue un rôle de pivot dans l interaction du robot avec son terrain d évolution. Elle consiste en la détermination de trajectoires réalisables par le robot pour suivre un chemin préétabli, tout en assurant la non collision avec les obstacles, mobiles ou fixes. Pour effectuer cette tâche, notre approche s appuie sur le modèle cinématique direct du véhicule pour générer des trajectoires admissibles par le robot. En premier lieu, une trajectoire de référence est construite à partir du chemin à suivre. Le problème de navigation est alors modélisé sous la forme d un problème d optimisation sous contraintes dont la fonction coût quantifie l écart entre la trajectoire prédite du robot et la trajectoire de référence. Les obstacles sont intégrés sous forme de contraintes en pénalisant le critère, et sa minimisation détermine la commande optimale à appliquer. Cette navigation par commande prédictive nous permet d anticiper les mouvements de contournement d obstacles sur l horizon de prédiction choisi, tout en gardant une certaine réactivité vis-à-vis de la dynamique des obstacles et du robot. En outre, l utilisation de familles de trajectoires paramétrées permet de maitriser le comportement du véhicule.Autonomous robots have to perform both control and perception tasks coordinately. Among these ones, the navigation task is a key in the interaction between the robot and its environment. It consists of determining the trajectories which the robot can follow in order to negotiate correctly around static and dynamic obstacles, assuming that it is programmed to map out its environment and situate itself within that environment. To perform this task, our approach rests on the direct kinematics model of the robot to generate admissible trajectories for the robot. Firstly, a reference trajectory is computed from the reference path provided by a path planer. Then the navigation task is modelized as an optimization under constraints problem, whose the cost function quantify the gap between the reference trajectory and the predicted trajectory of the robot. The obstacles are taken into account as constraints, and the minimization of the resulting cost function determinate the optimal control for the robot on a prediction horizon. This predictive navigation allows the robot to anticipate bi-pass movements on the chosen prediction horizon, Moreover, the behaviour of the robot is mastered by the use of parametered trajectories families.ORLEANS-SCD-Bib. electronique (452349901) / SudocSudocFranceF

Proposition et évaluation de techniques de compression d'images ultrasonores dans le cadre d'une télé-échographie robotisée

Le contexte de cette thèse est le projet de télé-échographie robotisée OTELO. Un objectif est de proposer une méthode de compression adaptée à l'image ultrasonore. Une étude comparative montre, à l'aide de critères statistiques et psychovisuels, que les standards Jpeg-Ls et Jpeg2000 sont les méthodes de compression d'images ultrasonores les mieux adaptées dans un contexte de télé-échographie. Un second objectif est d'évaluer la qualité d'un résultat de compression d'une image ultrasonore dans l'idée de s'approcher au mieux du jugement de l'expert. Une nouvelle méthodologie permet de proposer un critère d'évaluation obtenu à partir d'une fusion de critères statistiques et reproduisant à 90% le jugement de l'expert.ORLEANS-BU Sciences (452342104) / SudocSudocFranceF

Caractérisation des objets dans une image en vue d'une aide à l'interprétation et d'une compression adaptée au contenu (application aux images échographiques)

Cette thèse, réalisée dans le cadre d une convention CIFRE avec la société ECA-Sinters, se situe dans la continuité de projets de robotique télé-opérée pour des applications médicales non-invasives réalisés au laboratoire de Vision et Robotique ; l application médicale télé-opérée concerne ici la télé-échographie. Notre travail a porté plus précisément sur le traitement des images ultrasonores sur lesquelles se base l expert me dical pour le contrôle à distance du robot porteur de la sonde échographique positionné sur le patient. Une étude des méthodes actuelles de segmentation d image ainsi que sur les méthodes permettant d évaluer un résultat de segmentation, nous conforte dans l idée d une non universalité des méthodes de segmentation. La difficulté de partitionner une image ultrasonore en composantes illustre cette affirmation. Nous proposons donc, via l utilisation combinée d approches floue et fractale, une caractérisation des divers objets présents au sein de l image sans réelle segmentation. De plus, le lien démontré entre ces deux approches nous permet de prendre en compte, dans le calcul de la complexité des divers objets, le bruit initialement présent au sein de l image ultrasonore. Ces résultats obtenus d un point de vue théorique sont alors appliqués à différents domaines tels que la segmentation ou la compression d images.ORLEANS-BU Sciences (452342104) / SudocSudocFranceF

DOF Analysis of the Ultrasonography Technique for Improving Ergonomy in Tele-Echography

International audienceThis paper proposes a new ergonomic frame to describe the attitude of an input device used for human-machine interface in tele-echography application. The data acquired from medical experts through polling and recording medical trajectories enabled us to design this new system of angles exhibiting a good decorrelation among its degrees of freedom. A decorrelation improvement of up to 83% can be noticed compare to the standard 3-1-3 Euler angles. This new frame can be exploited for low cost man-machine interface design