Conception of an augmented reality system for applications in surgery

par Gilles Sittler

Thèse de doctorat en Electronique, électrotechnique, automatique. Optique et laser

Sous la direction de Joël Fontaine.

Soutenue en 2008

à Strasbourg 1 .

  • Titre traduit

    Conception d'un système de réalité augmentée pour la chirurgie


  • Résumé

    Les systèmes de réalité augmentée ont pris une importance croissante dans de nombreux domaines. On peut citer par exemple la conception aéronautique, le domaine militaire ou encore l’instrumentalisation chirurgicale. Dans ce dernier domaine, les systèmes de réalité augmentée sont souvent utilisés à des fins de formation des chirurgiens, le fait de pouvoir superposer des éléments virtuels à la vision de l’environnement réel du chirurgien apportant un plus indéniable. Ce travail de thèse s’est articulé autour de la conception de la partie optique d’un tel système. Commençant par un travail bibliographique fourni, nous détaillons les différents types de systèmes et de domaines d’applications. Dans la seconde partie de ce manuscrit, nous présentons le cahier des charges du système que nous avons développé, dont les différentes caractéristiques ont pu être extraites de publications trouvées dans la littérature. Ces dernières nous ont permis d’établir un cheminement pour les simulations optiques qui ont été suivies, de même qu’un gabarit géométrique définissant l’encombrement du système à concevoir en tenant compte de l’application visée. Dans la troisième et dernière partie de cette étude, nous détaillons les différentes simulations optiques réalisées à l’aide du logiciel de tracé de rayons CodeV. En suivant les caractéristiques imposées par le cahier des charges, nous présentons les premières simulations utilisant uniquement des « singlets » de façon à assurer une conjugaison correcte entre pupille d’entrée et de sortie du système en n’utilisant qu’un unique point source sur l’axe. Nous détaillons ensuite les différents sous-systèmes conduisant à la simulation d’une grille complète de points sources. Concernant l’introduction de la courbure de l’axe optique de façon à intégrer le système dans le gabarit géométrique défini précédemment, nous introduisons un élément holographique en transmission et les simulations ayant été menées. Les dites simulations incluent des instructions spécialement développées pour CodeV de façon à pouvoir simuler le comportement de l’élément holographique en séparant sa surface en différentes surfaces de moindre taille et en reconstruisant cette mosaïque dans une étape ultérieure. Il est ainsi possible d’obtenir une solution idéale par zone et d’évaluer les performances de l’élément conçu. Le même travail a été mené pour l’élément holographique servant de combineur holographique et les résultats et perspectives sont présentés dans une dernière étape.


  • Résumé

    Augmented reality systems are taking more and more importance in varied contexts. Aeronautic conception, military applications or conception of surgical tools are examples of possible applications of such systems. In this last field of application, augmented reality systems are mostly used for teaching purposes, using the capability of these systems to superimpose virtual elements onto the vision of the surgeon. This PhD work is articulated around the conception of the optical part of such a system. Starting with a detailed bibliographic work, we detail different type of systems and fields of application. Starting from this study, we concentrate our work on the medical applications, detailing different systems developed and present on the market. In the second part of this manuscript, we present the specifications of the system we developed, said specifications being extracted from relevant publications found in the literature. Additionally, the specifications obtained enable us to define a framework of the optical simulations that have been undergone and a geometrical framework in which the system should fit to be in accordance with the field of application aimed at. In the third and last part of this study, we detail the different simulations done using the ray tracing software CodeV. Following the specifications, we present a first approach using singlets ensuring a correct first order optics conjugation of entrance and exit pupils using a single on-axis point. Then, we detail the different steps followed for a complete grid of source points, describing the different consecutive subsystems simulated. For the introduction of the bending of the optical axis to fit the system in the geometrical framework, we introduce a transmission Holographic Optical Element and the simulations that have been undergone. These simulations include custom-made macros using CodeV programming language that had to be developed in order to split the surface of the transmission HOE in smaller areas. This mosaic of small HOEs enabled us to find an ideal solution for each of the sub-zone to simulate the behavior of the whole transmission HOE. The same procedure has been applied to the reflection HOE acting as a holographic combiner. By extracting the values of the diffraction efficiency from these simulations, we have been able to characterize the behavior of both HOEs.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (126 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 107-115

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service des bibliothèques. Bibliothèque L'Alinéa.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2008;5820

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  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 2008STR13154
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