Thèse Développement d'Un Outil d'Aide à la Décision Utilisant la Réalité Augmentée pour la Chirurgie Cardiaque Robotisée Draccar H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production Laboratoire de recherche : Laboratoire des Sciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble Direction de la thèse : Guillaume THOMANN ORCID 0000000176766262 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59 Le paysage des interventions chirurgicales a été profondément transformé par la chirurgie mini-invasive (CMI) et les techniques robotiques. Ces progrès ont considérablement réduit le temps de convalescence des patients, minimisé les traumatismes chirurgicaux et amélioré la qualité globale des interventions. Ces dernières années, l'intégration des technologies de réalité mixte (RM) à ces paradigmes chirurgicaux a révolutionné le domaine, offrant une précision sans précédent et des capacités de visualisation améliorées qui surpassent les limites des approches chirurgicales traditionnelles.

En chirurgie cardiaque, la CMI est privilégiée par rapport à la chirurgie à coeur ouvert en raison de ses risques réduits et d'une meilleure récupération postopératoire. Dans le cas de la chirurgie de la valve mitrale, par exemple, les opérations à coeur ouvert impliquent l'ouverture complète du thorax et l'incision du diaphragme, ce qui augmente considérablement le risque d'infection. La CMI, caractérisée par de petites incisions, offre des avantages tels que la réduction des traumatismes et de la douleur, des séjours hospitaliers plus courts, une récupération plus rapide et des cicatrices minimisées. Les instruments chirurgicaux sont insérés à l'extrémité des bras robotisés par ces petites incisions thoraciques, et les chirurgiens les contrôlent à distance depuis une console. Le système robotique de référence est le robot da Vinci® X, utilisé à l'hôpital Humanitas Gavazzeni de Bergame, en Italie, partenaire médical de cette recherche, en collaboration avec le professeur Ettore Lanzarone (Université de Bergame, co-directeur de thèse). La chirurgie robotique requiert une configuration spécifique du bloc opératoire : le chirurgien 1 opère depuis une console principale ; le chirurgien 2 positionne les bras robotiques par des incisions intercostales identifiées en préopératoire par palpation. Cette étape de positionnement est cruciale, mais ne bénéficie actuellement d'aucun outil d'aide à la décision dédié.

Ce projet vise à améliorer les conditions de la chirurgie cardiaque mini-invasive grâce à la réalité augmentée (RA). Son objectif principal est d'étudier et de démontrer les avantages potentiels de la RA lors de la phase préopératoire de repérage des points d'incision pour les bras robotiques et la caméra d'identification. Le projet prévoit : (1) la génération de modèles 3D spécifiques au patient (coeur + artères + cage thoracique) à partir de scanners cardiaques ; (2) la superposition de ces modèles sur le patient sur la table d'opération grâce à la RA ; (3) la simulation du placement des incisions et du positionnement des instruments et de la caméra. (4) Fournir au chirurgien 2 un outil d'aide à la décision intégrant des critères d'impact pour le choix du site d'incision. Une méthode de recherche sera mise en oeuvre par le biais d'une revue de la littérature portant sur les outils de réalité mixte en chirurgie cardiaque, les connaissances médicales requises pour les interventions sur la valve mitrale, les technologies robotiques de téléchirurgie et la conception d'outils d'aide à la décision pour les chirurgiens experts.
Le paysage des interventions chirurgicales a été profondément transformé par la chirurgie mini-invasive (CMI) et les techniques robotiques. Ces avancées ont permis de réduire considérablement le temps de convalescence des patients, de minimiser les traumatismes chirurgicaux et d'améliorer globalement la qualité des interventions chirurgicales. Ces dernières années, l'intégration des technologies de réalité mixte (RM) à ces paradigmes chirurgicaux a encore révolutionné le domaine, offrant une précision sans précédent et des capacités de visualisation améliorées qui dépassent les limites des approches chirurgicales traditionnelles.
En chirurgie cardiaque, les CMI sont privilégiées par rapport aux chirurgies à coeur ouvert en raison de leurs risques réduits et d'une meilleure récupération postopératoire. En chirurgie de la valve mitrale notamment, les opérations à coeur ouvert impliquent l'ouverture complète du thorax (fracture) et l'incision du diaphragme pour permettre la mise en place de l'anneau polymère, ce qui augmente considérablement le risque d'infection dans la zone opérée. La rééducation postopératoire est également risquée, car de nombreux os et incisions doivent cicatriser sans infection. La CMI, caractérisée par la réalisation de petites incisions plutôt que de grandes incisions, offre des avantages tels qu'une réduction des traumatismes et de la douleur, une hospitalisation plus courte, une convalescence plus rapide et des cicatrices minimisées.
Le système robotique de référence à ce jour est le robot da Vinci® X, la plateforme la plus avancée pour la chirurgie robotique. Il est utilisé dans le centre hospitalier Humanitas Gavazzeni à Bergame, Italie, qui constitue le « partenaire médical » de ce travail de recherche, en collaboration avec le Prof. Ettore Lanzarone, enseignant chercheur à l'université de Bergame et co-encadrant de la thèse. La chirurgie robotique exige une configuration particulière du bloc opératoire, avec une redistribution des rôles et des espaces : le premier opérateur (chirurgien 1) n'est pas placé à côté de la table d'opération, mais à la console principale, d'où il bénéficie d'une vue complète du champ opératoire et peut manoeuvrer les bras robotisés ; le second opérateur (assistant ou chirurgien 2) surveille et assiste directement l'activité du robot à côté de la table d'opération ; l'anesthésiste et les infirmières de bloc opératoire travaillent auprès du patient, sur leurs écrans et chariots opératoires respectifs
Lors d'une chirurgie cardiaque robotique mini-invasive, deux chirurgiens sont présents. Le chirurgien 1 manipule habilement le robot chirurgical à l'aide de joysticks, contrôlant les bras robotiques et les instruments insérés dans le patient. Le chirurgien 2 se trouve aux abords de la table d'opération. Son travail préopératoire consiste à repérer initialement les points d'incision pour les bras robotisés et la caméra en palpant le patient afin de localiser les espaces intercostaux. Une fois ces points repérés, il pratique trois à quatre incisions de 8 à 10 mm et une incision plus large de 1,2 cm pour permettre l'insertion des bras robotiques et des instruments.
Ensuite, tout au long de l'intervention, le chirurgien 2 reste à côté du patient et effectue des tâches telles que la coupe du fil de suture excédentaire, l'évacuation des liquides accumulés, le nettoyage de la caméra et la suture des incisions. Une équipe d'infirmières et d'anesthésistes apporte également son soutien à l'intervention.
Ce projet vise à améliorer les conditions de réalisation de la chirurgie cardiaque mini-invasive grâce à la réalité augmentée (RA). Sa mission principale est d'étudier et de démontrer les avantages potentiels de la RA dans l'étape préopératoire de localisation des points d'incision pour les bras robotiques et la caméra d'identification. Les étapes souhaitées pour la future procédure opératoire sont les suivantes :
- Utiliser les scanners cardiaques des patients pour créer un modèle 3D « coeur + artères + cage thoracique » avec mise en évidence de la localisation de l'intervention ;
- Superposer ce modèle au patient allongé sur la table d'opération en utilisant la réalité augmentée par le chirurgien 2 ;
- Simuler la localisation des petites incisions et les positionnements des instruments chirurgicaux et de la caméra, pour offrir une meilleure compréhension de la zone à opérer avant de procéder aux incisions proprement dites ;
- Utiliser un outil d'aide à la décision pour le chirurgien 2, en intégrant notamment des informations sur les impacts des choix de positionnements des incisions, pour qu'il puisse prendre la meilleure décision en connaissance de cause et que le chirurgien 1 puisse opérer dans les meilleures conditions.
Dans le cadre défini ci-dessus, les verrous sociotechniques concernent la compréhension des exigences et les définitions des besoins des Chirurgien 1 et Chirurgien 2 en termes d'activités chirurgicales souhaitées, chacun dans son domaine d'expertise. Les verrous scientifiques se définissent par :
- Une méconnaissance des interactions entre le chirurgien 2 et l'outil de réalité augmentée qu'il s'agira de définir, de modéliser, de configurer et d'évaluer.
- La nécessité de proposer une procédure claire, sécurisée et acceptée par les experts chirurgiens, les radiologues, anesthésistes et autre personnel médical favorisant l'utilisation de la RA lors des interventions chirurgicales de la valve mitrale.
- L'identification de critères nécessaires à la validation des positionnements des incisions (nécessaire à l'insertion des outils du Robot de télé-opération Da Vinci) et définition de la méthode d'évaluation pour un placement optimal des incisions intercostales.
- En conséquence, définition des fonctions de l'outil d'aide à la décision pour le chirurgien 2 en intégrant notamment des informations sur les impacts des choix de positionnements des incisions pour le chirurgien 1.
La thèse de recherche proposée ici s'attaquera progressivement à l'ensemble de ces verrous identifiés. Une méthode de recherche sera déployée en démarrant classiquement par une revue de la littérature autour des axes suivants :
- L'identification et classification des outils de réalité mixte mobilisés en chirurgie cardiaque notamment.
- La compréhension des compétences et connaissances médicales mobilisées dans le cadre de la chirurgie cardiaque, notamment pour des interventions sur la valve mitrale.
- La clarification des technologies et des techniques opératoires mobilisant les robots de télé-chirurgie, notamment en chirurgie cardiaque et identification des facteurs clés de succès de telles interventions.
- La définition des contours d'un outil d'aide à la décision en portant une attention particulière aux utilisateurs experts en chirurgie.
L'exploitation de la littérature et de l'analyse de besoin débouchera sur un cahier des charges validé par les chirurgiens. Il servira de point de départ pour choisir les matériels et l'environnement logiciel en vue de la conception de prototype successifs d'outils de simulation.
Progressivement, fonction par fonction, en mobilisant les méthodes de conception centrée sur l'utilisateur et la méthode Agile pour développer les prototypes, l'outil d'aide à la décision sera développé et soumis à des mises en situations expérimentales sur mannequin jusqu'en salle d'opération.
Des procédures d'évaluations seront définies et appliquées progressivement pour permettre des validations systématiques et appropriées à chacune des étapes du processus.

Étudiant(e) titulaire d'un Master 2 ou diplôme d'ingénieur en génie industriel, génie mécanique, informatique ou biomédical. Compétences en programmation (Python, C++) et traitement d'images médicales (reconstruction 3D, segmentation) souhaitées. Appétence pour la recherche interdisciplinaire associant ingénierie et médecine indispensable.