Real-time soft tissue modelling on GPU for medical simulation

par Olivier Comas

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Stéphane Cotin.

Soutenue le 16-12-2010

à Lille 1 .

  • Titre traduit

    Simulation en temps réel de tissus mous sur cartes graphiques pour la simulation médicale


  • Résumé

    Modéliser la déformation de structures anatomiques en temps réel est un problème crucial en simulation médicale. En raison des grandes différences existantes dans leur forme et leur constitution, un modèle unique est insuffisant face à la variété des comportements mécaniques. Par conséquent, nous avons identifié deux principaux types de structures: les organes pleins (cerveau, foie, prostate etc.) et les organes creux (colon, vaisseaux sanguins, estomac etc.).Notre réponse à cette problématique est double. Notre première contribution est une implémentation GPU d’un modèle éléments finis qui est non-linéaire, anisotropique et viscoélastique pour les structures pleines. Notre seconde contribution est un environnement pour modéliser en temps réel les structures fines via un modèle parallèlisable et co-rotationnel utilisant des éléments coques et une approche pour mailler une surface complexe avec des éléments coques courbes. Bien que les deux modèles de tissus soient basés sur la mécanique continue pour une meilleure précision, ils sont tous les deux capables de simuler la déformation d’organes en temps réel. Enfin, leur implémentation dans l’environnement open source SOFA permettra la diffusion de ces deux modèles afin de participer à l’amélioration du réalisme des simulateurs médicaux.


  • Résumé

    Modelling the deformation of anatomical structures in real-time is a crucial problem in medical simulation. Because their shape and their constitution greatly differ, a unique model cannot deal with the variousness of the mechanical behaviours. Hence, we identified two major types of structures in human body, they can be either solid (brain, liver, prostate etc.) or hollow (colon, blood vessels, stomach etc.). Our answer to this problematic is twofold. Our first contribution is an efficient GPU implementation of a non-linear, anisotropic and viscoelastic finite element model for solid organs. Our second contribution is a framework for real-time modelling of thin anatomical structures via a parallelisable co-rotational shell finite element formulation and a method to mesh a complex surface with curved shell elements. Although the two soft tissue models are based on continuum mechanics for greater accuracy, they may both be employed to simulate the deformation of entire organs in real-time. Finally, their implementation into the open source framework SOFA will provide worldwide researchers with new models to assist in enhancing the realism of medical simulators.


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