Modèles anatomiques déformables en temps réel : application à la simulation de chirurgie avec retour d'effort - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1997

Real-time anatomical deformable models: Application to laparoscopic surgery with force feedback

Modèles anatomiques déformables en temps réel : application à la simulation de chirurgie avec retour d'effort

Stéphane Cotin

Résumé

In this thesis, we present different approaches for the computattion, in real-time, of volumetric anatomical models. A major application of such models is laparoscopic surgery simulation. This recent surgical technique, in permanent evolution, requires intensive training procedures. In this case, a simulator has many advantages: flexibility, high training frequencies, evaluation tools, rare pathological cases simulation, etc. The first part of this thesis describes soft tissue modeling techniques, while taking into account biomechanical and real-time constraints. The first model we propose is based on a finite element method applied to three-dimensional linear elasticity. The real-time solution is computed by linear combinations of elementary deformations obtained during a pre-processing stage. To take into account, in the deformation process, some topological mesh modification - due, for instance, to tissue cutting - we have proposed a second model, called "tensors/masses". Finally, we propose an original formulation, named "hybrid model", allowing the combination of the two previous deformable models in an unified framework. In the second part of this thesis, we focus on the use of a force feedback system for interacting with deformable anatomical models. Then, we propose a hardware architecture that integrates the different modules providing deformation and force computation, force feedback devices control, collision detection, graphics rendering, etc. A simulator prototype, based on this architecture and including two force feedback systems, is presented. We finally propose, as an appendix, a study we conducted regarding a new technique for facial reconstruction. By using different medical image processing and analysis tools, we performed a series of experiments which goal was to reconstruct the face of a human person only from the knowledge of his/her face and reduced number of parameters.
Dans cette thèse, nous présentons différentes approches pour le calcul, en temps-réel, de la déformation de modèles anatomiques volumiques. Une des applications principales de ce type de modèles concerne la simulation de chirurgie laparoscopique. Cette technique chirurgicale récente, et en permanente évolution, nécessite une formation accrue. Dans ce cadre, l'utilisation d'un simulateur présente de multiples avantages : polyvalence, fréquences d'entraînement élevées, outils d'évaluation, simulation de cas pathologiques rares, etc. La première partie de cette thèse concerne la modélisation du comportement déformable des tissus mous, en prenant en compte les aspects biomécaniques ainsi que les contraintes de temps de calcul. Le premier modèle que nous proposons est basé sur une modélisation par éléments finis d'un solide élastique linéaire. Le calcul, en temps-réel, de la déformation repose sur des combinaisons linéaires de déformation élémentaires obtenues lors d'une étape de pré-calcul. Afin de prendre en compte, dans la déformation, d'éventuelles modifications topologiques du maillage - pouvant représenter, par exemple, l'incision de tissus mous - nous avons proposé un second modèle, appelé "masses/tenseurs". Enfin, nous proposons une formulation originale, appelée "modèle hybride", permettant de combiner, dans une même représentation, les deux modèles déformables précédents. Dans la seconde partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes liés à l'utilisation de systèmes à retour d'effort pour les interactions avec un modèle déformable. Nous proposons ainsi une architecture matérielle intégrant les différents modules assurant le calcul des déformations, des forces, le contrôle des systèmes à retour d'effort, la détection de collision, l'affichage graphique, etc. Un premier prototype du simulateur, réalisé sur la base de cette architecture et incluant deux systèmes à retour d'effort, a permis de valider l'ensemble des algorithmes. Finalement, nous proposons en annexe une étude relative à une nouvelle technique de reconstruction faciale. En utilisant différents outils d'analyse et de traitement d'images médicales, nous avons réalisé une série d'expériences visant à retrouver une approximation du visage d'une personne à partir de la seule donnée de son crâne et d'un ensemble réduit de paramètres.
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Dates et versions

tel-00630956 , version 1 (11-10-2011)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00630956 , version 1

Citer

Stéphane Cotin. Modèles anatomiques déformables en temps réel : application à la simulation de chirurgie avec retour d'effort. Informatique [cs]. Université Nice Sophia Antipolis, 1997. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00630956⟩

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