Chirurgie virtuelle : modélisation temps réel des tissus mous, interactions et système haptique dédié

par Safwan Chendeb

Thèse de doctorat en Informatique temps réel, robotique, automatique

Sous la direction de François Goulette.

Soutenue en 2007

à Paris, ENMP .


  • Résumé

    Le domaine médical voit apparaître depuis peu des simulateurs pédagogiques, à l'instar de ce qui existe depuis quelques années dans d'autres domaines (aviation, auto-école). En effet, la formation actuelle des chirurgiens se fait à la fois sur des cadavres (ce qui entraîne des difficultés grandissantes et des coûts élevés) et par compagnonnage (avec des chirurgiens expérimentés). Une forte demande est exprimée pour des simulateurs chirurgicaux pédagogiques, surtout dans le domaine de la chirurgie mini-invasive, avec une prise en compte des gestes et des sensations tactiles. Ce travail de thèse, réalisé au Centre de Robotique (CAOR) de l'Ecole des Mines de Paris, couvre deux problématiques importantes pour la réalisation d'un simulateur chirurgical pédagogique : la modélisation temps réel des tissus mous et la réalisation d'un système haptique dédié à la chirurgie virtuelle. Nous nous intéressons à la modélisation temps réel des organes déformables, nous mettons en œuvre une méthode physique, qui offre la possibilité de paramétrer le modèle à partir de mesures expérimentales, et de construire une solution générique applicable à une grande variété de matériaux. Il s'agit d'une approche issue de la Mécanique des Milieux Continus ; c'est une synthèse entre deux présentations répandues : les masses-ressorts et les masses tenseurs. Elle se base sur le modèle des matériaux de Saint Venant Kirchhoff qui correspondent à une classe de matériaux hyperélastiques. Une fois modélisé, l'organe virtuel doit interagir avec l'environnement, il s'agit de la détection des collisions (avec les outils) ou auto-collisions (l'organe se plie sur lui-même) ainsi que la gestion de ces collisions. Nous traitons aussi la découpe que peut subir un organe pendant l'opération. Nous présenterons aussi nos travaux de conception et de réalisation du système de retour d'effort dédié à la chirurgie, le « trocart actif ». Notre système présente un avantage majeur sur l'existant, il peut être utilisé pour une grande variété d'opérations chirurgicales endoscopiques. Il s'agit de l'instrumentation du trocart, outil indispensable pour la chirurgie mini-invasive afin d'assurer au maximum que les outils de chirurgie ne heurtent pas la peau à l'endroit de l'incision. Nous l'appelons « trocart actif ». Nous avons optimisé la conception de ce trocart afin de permettre l'utilisation de plusieurs trocarts actifs dans la même opération de chirurgie virtuelle et évidemment afin d'assurer le bon fonctionnement d'un système haptique pour garantir un bon rendement tactile. Avec ce système nous n'imposons pas le choix de l'outil chirurgical au jeune chirurgien. Celui-ci aura le choix de l'outil chirurgical au cours de l'opération.    

  • Titre traduit

    Virtual surgery real time soft tissue modelisation, interactions and dedicated haptic device


  • Résumé

    The medical field is emerging recently some pedagogic simulators like what it exists from several years in other field like flight simulator or car driving simulator. Indeed, the current training of surgeons is performed on corpses (difficult, expensive and not practical) and companionship (with experienced surgeons). These difficulties involve a growing demand for surgical pedagogic simulators, especially in the field of mini-invasive surgery, with a consideration of gestures and tactile sensations. This thesis work, conducted in the Robotics Center(CAOR) of the Ecole des Mines de Paris, covers two important issues for achieving a surgical simulator: the real time soft tissue modeling and the realization of a haptic system dedicated to the virtual surgery. In order to model the deformable organ in real time, we conceive a physical method that offers the opportunity to parameterize our model starting from experimental measurements and to build a generic solution that can be applied to a wide variety of materials. Our approach consists of a synthesis between two kinds of presentation used in the field of continuum mechanics: the mass spring and the mass tensor. Our method is based on the Saint Venant Kirchhoff model which corresponds to a class of hyper-elastic materials. Once modelled, the body in ready to interact with the virtual environment. We, thus, propose some mechanisms for collisions detection with surgical tools and with the structure of the body itself. We propose also some mechanisms for collision management. A particular attention is given to the cutting mechanism that the body usually undergoes during surgery. In the second section, we present our design and realization of a force feedback system dedicated to the virtual surgery. It is a new design of the trocar, an essential tool for the mini-invasive surgery. We call it "active trocar". It is a 5 DOF force feedback system. Our system has a major advantage on what exists. It can be used for a large variety of endoscopic surgical operations because we it is based on the trocar and not on the endoscopic surgery tool. We optimized the design of this trocar in order to allow the use of several devices in the same virtual operation and evidently in order to guarantee good tactile effects. With this system, the surgeon is free to choice the suitable surgical tool and fit into in the trocar.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (135 p.)
  • Annexes : Bibliographie 89 réf.

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