Contexte

Au carrefour de la médecine, de l’Informatique et de la Bio-ingénierie, les Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur (GMCAO) sont actuellement en plein essor, en réponse à une forte demande médicale. Ils sont apparus afin d’assister le geste clinique en lui associant des techniques de traitement d’imagerie médicale, de modélisation, de fusion de données ou de robotique. Après les structures osseuses (vertèbre, crâne), les chercheurs du domaine abordent maintenant les tissus biologiques déformables (cœur, foie, peau), plus difficiles à appréhender du fait de leurs déplacements et de leurs déformations.

 Sujet du stage

Deux domaines d’application aux tissus déformables ont ainsi vu le jour : (1) le développement de simulateurs chirurgicaux et (2) l’élaboration de modèles biomécaniques pour l’aide au planning d’une chirurgie.

Ces deux approches ont rapidement divergé de par leurs objectifs. Ainsi, les simulateurs avaient pour objectif principal un réalisme comportemental (texture, retour d’effort) et une forte contrainte de simulation temps réel. Au contraire, les modèles utilisés pour l’aide au planning exigeaient une grande précision des déformations calculées sans contrainte de temps de calcul. Les simulateurs ont ainsi privilégié des modèles discrets (de type masse-ressorts par exemple) alors que les outils d’aide au diagnostic chirurgical se sont basés sur la mécanique des milieux continus avec des méthodes de discrétisation de type éléments finis.

Si les modèles biomécaniques permettent de mieux appréhender les déformations probables des structures anatomiques opérées, aucun de ces outils ne peut, à notre connaissance, être aujourd’hui directement utilisé pendant l’intervention chirurgicale. Le recours à un modèle déformable permet d'affiner et éventuellement de modifier le planning chirurgical classique avant l'intervention, mais aucunement de modifier une stratégie per-opératoire. Or il est courant que la planification d’un geste chirurgical ne soit pas systématiquement suivie à la lettre au cours de l’intervention. La simulation donnée par le modèle biomécanique, basée sur le planning pré-opératoire et censée traduire le résultat de l'opération, ne correspond alors plus à la réalité. Il serait donc souhaitable, et c’est l’objectif de ce sujet de recherche, de disposer d'un outil de simulation au sein du bloc opératoire afin de visualiser directement les conséquences de ce changement de stratégie opératoire.

La difficulté scientifique réside alors dans l’élaboration de modèles précis des tissus mous biologiques capables d’effectuer des calculs de déformations en temps réel. Dans ce cadre, nous proposons d’explorer l'idée « d'éléments finis explicites » qui ont montré d'intéressantes capacités de calcul de dynamique, tout en permettant une modélisation fine du comportement de la matière.

Le stage se déroulera en deux phases:

• tout d'abord, la mise au point d'un simulateur dynamique relativement générique basé sur des élément finis, en grands déplacements.. Cette phase s'effectuera dans le cadre de l'équipe EVASION, en s'appuyant sur son expérience dans les simulateurs temps-réel

• ensuite, l'application à la chirurgie maxillo-faciale, avec utilisation de données réelles. Cette phase se déroulera dans l'équipe GMCAO, en s'appuyant sur son expérience dans le domaine.

L’évaluation des différents outils de modélisation se fera dans un premier temps sur des formes géométriques simples, afin de se rapprocher de l’idée de comparaison à un « gold standard ». En particulier, les données fournies par le projet « true cube » pourront être utilisées comme « gold standard » (il s’agit d’un cube en gelatine, de rheologie connue, avec un maillage interne fait de petite billes dont les deplacements sous l’action de forces externes ont ete mesures par scanner. ). Les modèles seront ensuite évalués dans le cadre de la chirurgie maxillo-faciale assistée par ordinateur, pour laquelle des modèles des tissus mous du visage sont construits puis utilisés pour tenter de prédire les conséquences esthétiques des repositionnements des structures osseuses sous-jacentes (mâchoires, os malaires, menton). Cette prédiction est actuellement faite par le chirurgien, avant opération. La mise en place d’un modèle temps-réel de calcul des déformations de la peau pourrait alors permettre une simulation au sein du bloc opératoire, juste avant le geste chirurgical.

L’équipe GMCAO dispose, pour deux patients en particulier, d’examens scanner pré et post opératoires, qui pourront donc être utilisés comme données réelles pour une confrontation avec les simulations proposés (1) par le modèle à base d'éléments finis explicites, (2) par le modèle continu classique utilisé actuellement à TIMC, et (3) par un modèle discret de type masse-ressort également fourni par TIMC.

Mots clés

Geste chirurgical assistée par ordinateur, simulation, temps-rée, imagerie médicale, chirurgie maxillo-faciale, modélisation biomécanique, modèles discrets, modèles par éléments finis.
 

Profil souhaité

Programmation C++, simulation et modélisation 3D, goût pour le contact avec le milieu médical. Environnement de développement Unix ou Windows.