Simulation

Opération 18 : Simulation d'opérations chirurgicales en temps réel

La simulation d’une opération chirurgicale nécessite d’utiliser différentes représentations de la scène adaptées aux caractéristiques des différentes unités de calcul entrant en jeu. Un maillage fin est requis pour un rendu réaliste. Il s'agit souvent d'une surface triangulée. L'utilisateur interagit avec la scène via des périphériques haptiques dont les contacts avec les objets sont calculés à partir d’un second maillage dont la nature dépend de la méthode de détection de collisions utilisée. Enfin la simulation mécanique des éléments constituant la scène est effectuée sur un maillage volumique plus grossier, hexaédrique ou tétraédrique, souvent lui-même multi échelle.

Objectifs

Un des problèmes majeur dans ce cadre est la prise en compte des changements de topologie, dus aux découpes, déchirures, destruction de matière correspondant aux actions autorisées dans la simulation. Si les techniques actuelles permettent de gérer chacun de ces niveaux de résolution de manière efficace, aucune méthode satisfaisante ne permet de gérer complètement et en temps réel les changements topologiques au sein de telles hiérarchies. C'est un des verrous principaux pour la simulation chirurgicale. Les autres verrous concernent la modélisation biomécanique des organes et de leurs interactions et ne seront pas directement abordés ici.

Nous développons dans cette thématique des modèles topologiques, géométriques et mécaniques collaborant de manière cohérente à différentes échelles. Ils permettront à terme la simulation d'incisions, d'ablations, de brûlures et de déchirures, en temps réel. Toutes ces opérations se feront de manière consistante, en préservant les contraintes topologiques, géométriques ou mécaniques des modèles, aux différentes échelles de représentation. Ces modèles permettront des interactions fines avec des périphériques haptiques dédiés à la chirurgie. Les différents éléments du modèle pourront être subdivisés ou simplifiés de manière adaptative pour prendre en compte ces interactions et une répartition harmonieuse de la puissance de calcul pour une simulation en temps réel.

Applications visées

Pour démontrer la validité de nos travaux, nous réaliserons deux prototypes de simulateurs, dans le cadre d'un projet ANR :

• Opération de la cataracte : Cela implique des découpes fines de la membrane du cristallin et un rabotage de la surface de ce dernier.

• Résection pancréatique : Cela nécessite la découpe du pancréas par brûlures et des manipulations de tissus mous.

Ces deux expérimentations devront montrer la généricité de notre approche sur des techniques chirurgicales très différentes. Une validation médicale sera conduite auprès de nos partenaires hospitaliers.

Diffusion des travaux

Les modèles et algorithmes définis par ces travaux seront mis à disposition de la communauté scientifique par le développement de la plate-forme de modélisation CGoGN en lui ajoutant les nouveaux modèles et opérateurs multirésolution. Les modèles mécaniques seront incorporés à la plat-forme internationale SOFA, sous licence libre.

Méthodes employées

Pour atteindre ces objectifs, nous proposerons de nouveaux modèles hiérarchiques, permettant de mixer des maillages de dimension et de nature très différentes.

• Nous voulons gérer une hiérarchie de volumes supportant différents schémas de subdivision et constituée de tétraèdres, d'hexaèdres ou plus généralement de tout type de polyèdres.

• Le bord de ces volumes devra pouvoir être parcouru de manières optimales aux différentes résolutions et les faces, présentes sur ce bord, devront pouvoir être subdivisées en triangles, quadrilatères ou toute autre primitive utile pour l'affichage ou l'interaction.

• Les découpes et les suppressions de matière dans ces modèles devront se faire de manière consistante.

Cela nécessitera la définition d'une nouvelle famille d'opérateurs topologiques multi échelle. Ces opérations pourront faire apparaître des trous, des tunnels ou des cavités dans les objets, et déconnecter des morceaux d’organes.

• Les événements topologiques (changement de groupe d'homologie) devront être détectés efficacement pour pouvoir être pris en compte par la simulation. Des méthodes incrémentales de calcul homologique seront proposées et exploitées pour cela.

Influence du modèle sur la simulation mécanique

Les maillages et les relations de voisinage entre éléments mécaniques pouvant changer durant la simulation, il faudra développer des méthodes d'intégration supportant ces maillages dynamiques. Les méthodes expérimentées sur des maillages de type masse/ressort, durant le projet VORTISS dont DynMeshes est la continuation, seront étendues aux éléments finis, dans ce nouveau paradigme multi échelle. En particulier les opérateurs de subdivision devront veiller à mettre à jour les propriétés mécaniques des éléments concernés (masse, raideur, etc.). Les changements topologiques seront également pris en compte dans la manière dont seront calculées les interactions entre éléments voisins.

La contrainte du temps réel impose souvent d'utiliser des approches adaptatives pour la simulation. L'ajout de ces nouveaux niveaux de subdivision devra être pris en compte dans nos modèles et rester cohérent avec les niveaux existants. Les informations géométriques, mécaniques et de contact devront ainsi pouvoir être fusionnées vers des niveaux de résolution supérieurs, ou raffinés par des subdivisions judicieusement choisies. Il faudra clairement définir les critères numériques, géométriques et mécaniques déclenchant ces changements de résolution. Il faudra également comprendre comment faire passer, de manière numériquement stable, les propriétés mécaniques d'un niveau à l'autre.