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Simulation Mdicale
Modlisation des Tissus Mous
Herv Delingette
[email protected]
Plan
Description des simulateurs mdicaux
Modlisation des tissus mous
Modles Masses-Ressorts
Introduction la biomcanique
Mcanique des Milieux Continus
Estimation de paramtres biomcaniques.
Discrtisation par la Mthode des Elements-Finis
Modle Elastique Linaire Pr-calcul
Modle Masses-Tenseurs
Motivation de la simulation mdicale
Complexit croissante des procdures
thrapeutiques et en particulier chirurgicales
Les erreurs mdicales sont devenues
socialement et conomiquement inacceptables
Extension naturelle de la planification de
chirurgie
Besoin Croissant de formation des
chirurgiens et des internes en chirurgie
Besoin croissant dune valuation objective de la
performance des chirurgiens

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Simulation de la chirurgie
Laparoscopique
Le concept de la laparoscopie a t invent au
milieu du XIXeme sicle
Endoscope de Desormeaux, 1853
Dr. Heinz Kalk, 1929
Simulation de la chirurgie
Laparoscopique
Le concept de la laparoscopie a t invent au
milieu du XIXeme sicle
Outils Laparoscopiques Modernes
Chirurgie laparoscopique(source, US Surgical Corporation)
Principe de la chirurgie
mini-invasive

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La chirurgie mini-invasive
Dsynchronisation
il-main
Camra manipule
par un assistant
Instruments longs
passant par un point
fixe
Apprentissage et
entranement spcifiques
1997 United States Surgical Corporation
Robots utiliss en chirurgie mini-
invasive
Da Vinci (Intuitive Surgery)Zeus (Computer Motion)Courtesy of L. Soler (IRCAD) Courtesy of E. Coste-Manire (Chir)
Formation des chirurgiens : Aujourdhui
Entranement aux gestes partir de :
1995 Universal Pictures 1997 United States Surgical Corporation 1997 United States Surgical Corporation
Animaux (Ethique, Isomorphisme)
Simulateur Mcanique
Patients (courbe dapprentissage)

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Courbe
d apprentissage
Average Duration of an hysterectomy with laparoscopy(source, Department of Obstetrics and Gynecology, Helsinki University Central Hospital)
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1-10 11-20 21-40 41-60 61-80 81-100
Total number of patients
Pro
ced
ure
Dura
tion (m
in)
Entrainement ou
Prparation
Simulateur Gnrique
Trs important pour la formation des jeunes chirurgiens
Permet d valuer objectivement la pratique des
chirurgiens
Simulation de pathologies rares
Simulation partir de lanatomie dun patient
donn
Validation d une stratgie opratoire ou dune
gestuelle opratoire pour des interventions complexes.
Hull, Sheffield, Stanford, Berkeley, Utrecht, ETZH, EPFL,
LIFL, INRIA, ...
Simulateurs construits par des
Universits
Ve_Kats, Hull
Stanford BiocompVesta, University of California
SPIC, LIFL

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Mentice, ReachIn, Surgical Science, Simbionix, Select-it,
Xitact, ...
Mentice Reach-In
Simulateurs Commerciaux
Surgical ScienceSimbionix
SIMULATEURS INRIA[Cotin, 1997] [Picinbono, 2001]
[Forest 2003]
Simulation dune hepatectomie par laparoscopie
Inclut vaisseaux sanguins et parenchyme hpatique
Couinaud Segments(source [Soler, 1998])
[Forest 2003]
Interface homme-machine = pinces retour deffort

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[Forest 2003]
Dformation du parenchyme hpatique et de
la veine porte
SIMULATEURS INRIA[Cotin, 1997] [Picinbono, 2001] [Forest 2003]
Plan

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Cinmatique
Temprature
Dformation
Forces
Liquide/Solide
ModlisationPhysique
Forme
Surface
Volume
Morphologie ModlisationAnatomique
Niveaux de Modlisation
Pathologie
Muscles Activation
Respiration
ModlisationPhysiologique
Simulation du geste
Chirurgical
Modlisation Physique
Nature dformable des tissus mous
Interaction complexe des instruments
chirurgicaux avec les tissus mous (dcoupe,)
Importance de linteractivit
Retour visuel (24 images / s)
Retour defforts sur les instruments
chirurgicaux ( de 300 1000 consignes / s)
Plan

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1D Spring-mass system
Dynamic problem: What is motion of the mass when acted by an external force or is initially displaced?
l = rest Length
L = Spring Extension due to static load
y(t) = Spring extension due to dynamic load
Spring-mass system
Forces acting on the mass
Net force acting on the mass
1. Spring-mass system
Newtons Second Law of Motion
the acceleration of an object due to an applied force is in the
direction of the force and given by:
For our spring-mass system

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2. Undamped Free Vibrations
no damping no external force
(general solution)
(particular solutions)
A and B are arbitary constants determined from initial
conditions
Periodic, simple harmonic motion of the mass
Period of motion
Natural frequency of the vibration
Amplitude (constant in time)
Phase or phase angle

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3. Damped Free Vibrations
no external force
Assume an exponential solution
Then
and substituting in equation above, we have
(characteristic equation)
Solutions to characteristic equation:
The solution y decays
as t goes to infinity regardless the values of A and B
Damping gradually dissipates energy!
overdamped
critically damped
underdamped
The most interesting case is underdamping, i.e:

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3. Damped Free Vibrations: Small Damping
Masse-Ressorts en 3D
Dfinition dun systme physique constitu
de masses ponctuelles
Pi
Pj
ji
ji
ijj
Nj
iiji lki PP
PPPPF
P
)( 0
)(
=
Example Masses-Ressorts 2D

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Flexible Objects SPRING-MASS SYSTEMSThe simplest, most common approach
Straightforward strategy:Point Mass
Spring(rest length = edge length)
External Forces(collisions, gravity, wind, )
Spring mass fish
Source Xiaoyuan Tu, http://www.dgp.toronto.edu/people/tu
Avantages Modles Masse-Ressorts
Utilisation de la mcanique du point (et pas
de la mcanique des milieux continus)
Peut-tre dfini sur un graphe (pas de notion
de maillage)
Facile mettre en uvre dans un schma
explicite ou implicite
ii
ii
idt
d
dt
dm F
P += P2
2

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Avantages Modles Masse-Ressorts
Permet de modliser des grands dplacements
Largement utilis dans la communaut de la
synthse dimages depuis plus de 20 ans
Exemples :
xspringies / winspringies par D. De Carlo
Java Xspringies
Problmes des masse-ressorts (1)
Comportement trop mou
utilisation dun schma implicite dintgration
On remplace
[ ]i
ij
ijP
FK
=
( )ji
ji
ijjiijij lkPP
PPPPF
0=
[ ]( )0iiijij PPKF = avec
Mauvais comportement en cisaillement
voir travaux de X. Provot

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Solutions au problme de cisaillement
ajout dlments diagonaux
Utilisation dune limite sur la dformation des
ressorts
Comportement dpend du maillage
aucune tude globale permet de relier la
topologie du maillage son comportement
Difficult relier les paramtres de raideurs
des grandeurs physiques (Module de Young,
coefficient de Poisson)
Utilisation de mthodes connexionnistes ou
d algorithmes gntiques pour l identification
de paramtres.
Plan

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Caractrisation des tissus mous
Le comportement biomcanique de la
plupart des tissus mous est trs complexe.
Un tissu mou est g

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