Interaction humain-machine augmentée pour l’échographie : un système de guidage échographique par l’haptique

Roy, Gabrielle (2026). Interaction humain-machine augmentée pour l’échographie : un système de guidage échographique par l’haptique. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’apprentissage de l’échographie est difficile puisqu’il exige d’importantes habilités visuo-spatiales et une pratique intensive afin de maîtriser la manipulation de la sonde pour obtenir la vue recherchée lors d’un examen. La formation repose principalement sur l’encadrement d’un instructeur, en présentiel ou à distance, sur l’apprentissage à partir de vidéos. Par ailleurs, diverses formes de guidage par indications visuelles ont été étudiées dans le cadre de projets de recherche. L’approche par instructeur pose une limite sur le temps de formation, tandis que les autres approches sollicitent fortement l’attention visuelle, déjà nécessaire pour interpréter l’image échographique.

Dans ce contexte, l’utilisation du toucher à travers un guidage haptique vibrotactile des mouvements apparaît comme une alternative pertinente pour soutenir l’apprentissage et réduire la charge visuelle. Ce mémoire propose et évalue un système de guidage conçu à partir d’actionneurs vibrotactiles, permet de représenter cinq mouvements clés utilisés par l’opérateur pour manipuler la sonde (Glisser, Balayer, Rouler, Tourner et Incliner). Le principe repose sur des séquences de vibrations orientées tangentiellement au mouvement attendu afin de fournir des indications intuitives.

Les travaux réalisés comprennent d’abord la conception du dispositif haptique, incluant l’intégration de moteurs LRA (actionneurs résonants linéaires), le développement d’un circuit électronique basé sur le DRV2605L EVM, ainsi que la conception d’un gant et d’un manchon pour le port du système. Afin d’évaluer l’utilisabilité des stimuli haptiques proposés et d’identifier les configurations optimales des indications favorisant leurs reconnaissances, une expérience a été réalisée auprès de participants, faisant varier différents paramètres des signaux haptiques, plus précisément l’amplitude, la durée de vibration et le délai inter-vibrations. Les participants devaient correctement identifier l’emplacement et la direction des indications vibrotactiles ressenties et rapporter leur niveau de confiance. Les participants sont parvenus à reconnaître les stimuli associés à Glisser, Balayer et Tourner, avec un taux de succès au-dessus de 90%, sans égard à la variation des paramètres. En revanche, Rouler et Incliner, avec un taux de succès de 75%, semblent plus dépendants des paramètres. Les niveaux de confiance rapportés par les utilisateurs sont cohérents avec leurs performances.

À la suite de ces résultats prometteurs, un système de guidage a été développé à partir du dispositif haptique. Une seconde expérience a été réalisée pour évaluer la capacité du système à guider des participants vers un objectif (position et une orientation cibles de la sonde), uniquement à partir des indications vibrotactiles fournies. L’expérience consistait à guider les participants vers huit objectifs. Le système a démontré un niveau de performance de 5,2/8 objectifs atteints en moyenne et un taux de succès de 100% pour les indications de translation (Glisser et Balayer).

Ces résultats suggèrent que le guidage vibrotactile constitue une approche prometteuse pour soutenir l’apprentissage de la manipulation de la sonde échographique, bien que certaines améliorations du système puissent encore être envisagées.

Titre traduit

Augmented human-machine interaction for sonography: a haptic guided sonography system

Résumé traduit

Learning sonography is difficult, as it requires strong visuospatial skills and intensive practice to master probe manipulation to obtain the desired view during an examination. Training relies mainly on instructor supervision, either in person or remotely, on learning from videos. Moreover, various forms of guidance using visual cues have been studied in research projects. The instructor-based approach limits training time, while the other approaches place a heavy demand on visual attention, which is already required to interpret the ultrasound image.

In this context, using touch through vibrotactile haptic guidance movements appears to be a relevant alternative to support learning and reduce visual load. This thesis proposes and evaluates a guidance system based on vibrotactile actuators, capable of representing five key movements used by the operator to manipulate the probe (Slide, Sweep, Roll, Rotate, and Tilt). The principle relies on vibration sequences oriented tangentially to the expected movement to provide intuitive cues.

The work includes the design of the haptic device, involving the integration of LRA motors (linear resonant actuators), the development of an electronic circuit based on the DRV2605L EVM, as well as the design of a glove and a sleeve for wearing the system. To evaluate the usability of the proposed haptic stimuli and identify optimal cue configurations that promote recognition, an experiment was conducted with participants, varying different actuator parameters, specifically amplitude, vibration duration, and inter-vibration delay. Participants were required to correctly identify the location and direction of the vibrotactile cues they perceived and report their level of confidence. Participants were able to recognize the stimuli associated with Slide, Sweep, and Rotate, with success rates above 90%, regardless of parameter variations. In contrast, Roll and Tilt, with success rates around 75%, appear to be more dependent on the parameters. The confidence levels reported by users are consistent with their performance.

Following these promising results, a guidance system was then developed based on the haptic system. A second experiment was conducted to evaluate the system’s ability to guide participants toward a target (probe position and orientation), using only the provided vibrotactile cues. The experiment involved guiding participants toward eight targets. The system demonstrated a performance level of 5.2 out of 8 targets reached, and 100% success for translation cues (Slide and Sweep). Some of the errors appear to be related to the specific motor strategies adopted by participants to manipulate the probe, to a misinterpretation of the cues.

These results suggest that vibrotactile guidance is a promising approach for supporting the learning of ultrasound probe manipulation, although further improvements to the system can still be considered.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîstrise avec mémoire en génie des technologies de la santé". Comprend des références bibliographiques (pages 151-158).
Mots-clés libres:	échographie, guidage, haptique, indications vibrotactiles
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Laporte, Catherine
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Lévesque, Vincent El-Jalbout, Ramy
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	14 juill. 2026 13:33
Dernière modification:	14 juill. 2026 13:33
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3948

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