Simulation de Chirurgie
Hervé Delingette
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INRIA Sophia-Antipolis
2004 Route des Lucioles
06902 Sophia-Antipolis BP 93
E-mail : Herve.Delingette@inria.fr

La simulation d’interventions chirurgicales a pour but de reproduire à l’aide de systèmes informatiques, les sensations visuelles et gestuelles d’un chirurgien au cours d’une intervention chirurgicale. L’intérêt médical de ces systèmes est double. D’une part, ces simulateurs permettraient de former les chirurgiens à des techniques opératoires aussi complexes que la vidéo-chirurgie (endoscopie, laparoscopie, …) avec une plus grande flexibilité et à un moindre coût qu’avec les moyens dont on dispose actuellement. D’autre part, il serait possible de planifier avec précision des interventions chirurgicales délicates ou même de concevoir de nouvelles procédures d’intervention.

La classification des différentes générations de simulateurs médicaux est présentée dans la figure ci-après. La première génération de simulateur considère uniquement l’aspect géométrique de l’anatomie et permet uniquement la “navigation” interactive à l’intérieur du corps humain. La seconde génération prend en compte la réalité physique des tissus et en particulier leur caractère déformable. De tels simulateurs peuvent représenter l’interaction d’instruments chirurgicaux avec les organes notamment les procédures de déformation et de découpe. Enfin la troisième génération de simulateurs médicaux prend en compte l’impact de l’intervention chirurgical sur la physiologie du corps humain. Ainsi, la découpe d’un vaisseau sanguin aura un effet sur la pression sanguine du patient ce qui va perturber le fonctionnement d’autres organes.

La mise au point de tels simulateurs pose d’importants problèmes scientifiques et technologiques. Si la technologie des simulateurs de première génération est bien maîtrisée, le développement de modèles mathématiques relatifs au comportement physique et physiologique des tissus du corps humain reste un obstacle considérable à franchir. Il s’agit, par exemple, de caractériser les comportements biomécaniques des tissus mous mais aussi de modéliser les interactions mécaniques entre ces tissus.

Il existe de plus des contraintes importantes sur le temps de calcul de ces lois de comportement physiques et physiologiques. Effectivement, pour que ces simulateurs aient une quelconque utilité, il est indispensable d’immerger l’utilisateur dans un environnement virtuel et par conséquent de respecter plusieurs contraintes temps-réel. Pour le retour visuel, il est nécessaire de calculer au moins 30 images par seconde, alors que pour le retour d’effort, il s’agit de calculer 300 à 1000 consignes de force par seconde.

Au projet Epidaure à l’INRIA Sophia-Antipolis, nous avons développé en collaboration avec l’IRCAD un prototype de simulateur de chirurgie laparoscopique du foie. Dans ce prototype, l’utilisateur peut interagir à l’aide de deux instruments chirurgicaux à retour d’effort, en déformant et en découpant le parenchyme hépatique. Le comportement physique du foie est modélisé comme un matériau élastique linéaire ce qui permet d’une part de correctement représenter les petites déformations et d’autre part d’accélérer les calculs de déformation et de force en pré-calculant la réponse du modèle physique. Cependant, cette approche ne permet pas de découper le maillage éléments finis du foie composé de tétraèdres, puisque le pré-calcul est lié à la topologie du maillage. Par conséquent, nous proposons de juxtaposer au modèle précalculé, un modèle dynamique reposant également sur la théorie de l’élasticité linéaire, avec une complexité algorithmique proche de celle des systèmes masses-ressort mais respectant mieux la physique de la découpe. Une description plus détaillée de ce simulateur peut être trouvée dans les références [1,2,3].

Références

[1] S. Cotin, H. Delingette, M. Bro-Nielsen, N. Ayache, J-M. Clement, J. Marescaux, Geometric and Physical Representations for a Simulator of Hepatic Surgery, Medecine Meets Virtual Reality 4, January 1996, San Diego, USA

[2] S. Cotin, H. Delingette, N. Ayache, Real-Time elastic deformations of soft tissues for surgery deformation, INRIA Technical Report RR-3511, 1998, to appear in IEEE Trans. In Visualization and Computer Graphics, http://www.inria.fr/RRRT/RR-3511.html

[3] S. Cotin, H. Delingette, N. Ayache, Efficient Linear-Elastic Models of Soft Tissues for Real-Time Surgery Simulation, INRIA Technical Report RR-3510, 1998, http://www.inria.fr/RRRT/RR-3510.html