Outil pédagogique de la ponction des grosses articulations sous échographie

Ultrasound guided needle simulator for training

• Auteur / Autrice : Charles Barnouin
• Direction : Fabrice Jaillet, Florence Zara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 07/05/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale InfoMaths (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIRIS - Laboratoire d'Informatique en Image et Systèmes d'information (Rhône ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Michel Dischler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Jaillet, Florence Zara, Stéphane Cotin, Maud Marchal, Fabienne Coury-Lucas, Philippe Delachartre, Jocelyne Troccaz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Cotin, Maud Marchal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ponction à l'aiguille fine

Échographie

Pratique médicale

Articulations

Mots clés libres

Simulateur

GPU

Médical

,Aiguille

Sonde

Haptique

Échographie

Temps réel

Simulator

GPU

Medical

Needle

Probe

Haptic

Ultrasound

Real-time

Résumé

Les travaux présentés dans ce manuscrit répondent à un besoin de moderniser et améliorer l'apprentissage du geste médical de l'insertion d'aiguille sous échographie. Ce simulateur comporte une partie rendu et une partie haptique. Après avoir introduit les objectifs de ces travaux, un état de l'art des méthodes informatiques de rendu d'image échographique est effectué, suivi par un état de l'art des modèles et des simulateurs d'insertion d'aiguille. Nous introduisons ensuite une méthode de rendu échographique temps réel d'une scène 3D, basée sur GPU. Cette méthode permet de découper les objets 3D pour créer à la volée des surfaces 2D qui dépendent de la position de la sonde échographique, puis de travailler sur ces surfaces pour produire les différents effets qui apparaissent sur une image échographique : ombres et réflexions, absorption, granularité et orientations des fibres des tissus biologiques. À notre connaissance, ce dernier effet n'a jamais été présenté dans un simulateur de génération d'images échographiques temps réel. Puis, les différentes interactions entre les outils médicaux (sonde et aiguille, maniées grâce à deux interfaces haptiques) et les tissus biologiques sont présentées, pour comprendre comment modifier les pixels de l'image générée. Cette manipulation d'image 2D correspond aux interactions grâce à des modèles de déformation 3D prises dans le plan de coupe échographique. Enfin, les résultats et les premières validations sont présentés. La validation à grande échelle d'un tel simulateur est traitée à travers l'exemple d'un simulateur identique avec retour visuel et haptique, le simulateur de laparoscopie

The work presented in this manuscript answers the need to modernize and improve the learning of the medical gesture of needle insertion under ultrasound. This simulator includes a rendering part and a haptic part. After the goals of this work, a state of the art of ultrasound image rendering in computer graphics is performed, followed by a state of the art of needle insertion models and simulators. We then introduce a GPU-based real-time ultrasound rendering method of a 3D scene. This method allows us to cut 3D objects to create 2D surfaces on the fly that depend on the position of the ultrasound probe, and then to work on these surfaces to produce the different effects that appear on an ultrasound image: shadows and reflections, absorption, granularity and fiber orientations of biological tissues. To our knowledge, his last effect has never been presented in a real-time ultrasound image generation simulator. Then, we show the different interactions between the medical tools (probe and needle, manipulated thanks to two haptic interfaces) and the generated image, and we will see how to deform this image to match the deformation of the 3D tissues thanks to deformation models. Finally, we display the results and how to validate such a simulator through the example of an identical simulator with visual and haptic feedback, the laparoscopy simulator