Modélisation des déformations des tissus biologiques pour la simulation réaliste et interactive en robotique chirurgicale mini-invasive

Deformation modeling of biological tissues for realistic and interactive simulation in mini-invasive surgical robotics

• Auteur / Autrice : Moulay Brahim El Khalil Ghembaza
• Direction : Yacine Amirat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique. Robotique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris 12

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chirurgie

Tissus (histologie)

Robotique en médecine

Réalité virtuelle en médecine

Résumé

Cette thèse concerne le développement d'un simulateur de chirugie, pour l'apprentissage et la planification du geste opératoire en chirurgie endovasculaire mini-invasive assistée par micro-robot. Pour garantir le "réalisme" de la simulation, nous avons pris en compte les caractères viscoélastique et non linéaire inhérents aux comportements réels de tissus biologiques comme les parois anévrysmales. Ainsi, nous avons proposé une extension de l'approche masse-tenseur en élasticité linéaire, qui met en oeuvre une adaptation dynamique aux comportements locaux, après déformation. Il est ainsi possible de restituer des comportements complexes tout en satisfaisant la contrainte de "temps réel" d'une simulation chirurgicale. Pour la gestion des interactions, nous avons développé une méthode de détection continue de collisions, s'appuyant sur une technique d'accélération hiérarchique permettant de réduire les temps de calcul. Par ailleurs, nous avons proposé une solution d'assistance à la réalisation du geste sous la forme d'une navigation active, planifiée et guidée du cathéter dans l'aorte abdominale. Enfin, les différents modèles proposés ont été implémentés dans l'outil de simulation EVARSim (EndoVascular abdominal aortic Aneurysm Repair Simulator), que nous avons développés pour la navigation active. Ces guides s'appuient sur un modèle rigide dont nous avons montré la faisabilité du point de vue temps de calcul. La complexité et les performances du modèle de déformation proposé sont présentées et analysées. Les résultats obtenus montrent que les contraintes sur les fréquences des rendus visuel et haptique sont satisfaites pour des maillages de l'ordre de 3000 tétraèdres. Ce chiffre constitue une précision suffisante pour une structure anatomique telle qu'un anévrysme aortique.

This thesis concerns the development of a surgery simulator, for training and planning of micro-robot assisted operational gestures in minimally invasive endovasculaire surgery. To guarantee the "realism" of simulation, we have taken into account viscoelastic and nonlinear behaviours of biological tissues like those of the aneurysms walls. Thus, we have proposed an extension of the mass-tensor approach in linear elasticity, which implements a dynamic adaptation to the local behaviors, after deformation. It is thus possible to reproduce complexes behaviors while satisfying the constraint of "real time" of surgical simulation. For interaction management, we have developed a continuous collisions detection method based on a hierarchical acceleration technique allowing to reduce the computing times. In addition, we proposed a solution of assistance to the realization of gesture under the form of an active, planned and guided navigation catheter in the abdominal aorta. Finally, the proposed models were implemented in simulation tooll : EVARSim (Endo Vascular abdominal aortic Aneurysm Repair Simulator), which we developed during this thesis. Visual and haptic guides were developed for active navigation. These guides are based on a rigid model of which we showed the feasibility from the time computation point of view. The complexity and the performances of the deformation model are presented and analyzed. The results which have been obtained show that the constraints of visual and haptic rendering are satisfied for mesh about 3000 tetrahedrons, representing a sufficient precision for an anatomical structure of aortic aneurism type.