Système d'entraînement pour chirurgie endoscopique utilisant la réalité virtuelle

par Damien Tappy et Charles Baur, Groupe Vision, Institut de Microtechnique, EPFL

La chirurgie non invasive

Les progrès réalisés les dernières années en chirurgie ont été marqués par un nouveau type de chirurgie dite chirurgie non invasive. En effet, la tendance générale en chirurgie est de réduire les traumatismes des opérations, en diminuant notamment la taille de l'accès de la zone à opérer.

En chirurgie endoscopique, le principe revient à ne pas ouvrir le corps du patient comme on avait l'habitude de le faire, mais à pratiquer des micro incisions (appelés trocarts) qui serviront de passage pour l'insertion d'outils chirurgicaux (pinces, ciseaux, aspirateurs, pointes coagulantes, etc.).

Le premier constat est que la vision directe de la zone d'intervention du chirurgien est supprimée. Par conséquent, il est nécessaire d'introduire une micro caméra par l'un des trocarts: c'est ce qu'on appelle l'endoscope. Cet endoscope est raccordé par un faisceau de fibres optiques ou via une CCD à un moniteur couleur et on visualise l'image prise par la caméra. On visualise ainsi l'intérieur du corps du patient: le chirurgien opère donc via un écran vidéo.

L'étendue des opérations croît de plus en plus, et elle couvre aujourd'hui beaucoup de spécialités: la chirurgie O.R.L., et particulièrement endonasale, la chirurgie abdominale, l'obstétrique ou la neurochirurgie.

Les avantages de cette méthode

Les avantages d'une telle méthode sont multiples et touchent non seulement la santé du patient mais aussi les aspects économiques.

En ce qui concerne la santé du malade, les bénéfices de cette chirurgie sont considérables. Étant donné que la partie du corps incisée est minime, la morbidité postopératoire peut être réduite (cicatrisation plus aisée, moins de risque d'infection). Le malade se remet beaucoup plus vite d'une opération puisqu'elle est beaucoup moins destructrice.

Du point de vue économique, le gain est loin d'être négligeable. En effet comme le patient récupère très vite de l'opération, il peut quitter l'hôpital rapidement. A titre d'exemple, suite à une ablation d'une tumeur au poumon, un patient est de retour chez lui deux jours après l'opération (au lieu de deux semaines pour la même intervention en chirurgie classique); et il obtient quinze jours d'arrêt de travail (au lieu de deux mois).

Ces chiffres sont suffisamment parlants pour comprendre l'intérêt d'une telle médecine et on peut prétendre sans risque que dans 3 à 4 ans la chirurgie endoscopique couvrira 60 à 70% des opérations, contre 40% aujourd'hui.

Les limites de cette chirurgie

La plupart des désavantages de cette chirurgie touche directement le chirurgien, le patient lui subit les conséquences. En effet le principe même de cette méthode implique une perte de référence complète sur deux plans principaux: le toucher et la vision (le chirurgien opère en regardant une télévision: c'est ce que les Américains appellent la chirurgie Nintendo.

Le chirurgien doit donc apprendre un nouveau métier: c'est une nouvelle technique qu'il faut maîtriser, des nouveaux repères, des nouvelles sensations qu'il lui faut acquérir. Pour cela il faut s'entraîner, et le malade n'est certainement pas le cobaye idéal pour faire ses premiers pas. La plupart des chirurgiens se sont entraînés sur des animaux, en particulier des cochons. Si on fait abstraction de toutes questions éthiques, les animaux ont été un bon moyen d'apprentissage, mais à l'heure actuelle, il est interdit d'opérer des animaux dans un nombre de pays toujours plus élevé.

Les chirurgiens n'ont donc plus de choix, en l'absence d'autres méthodes d'entraînement réalistes, ils font leurs premiers essais sur le malade. Les risques d'erreurs sont donc beaucoup plus importants et le danger d'une médecine à deux vitesses n'est pas à écarter: les chirurgiens expérimentés seront beaucoup plus chers que les novices.

Le simulateur de chirurgie endoscopique

Il est donc indispensable que les chirurgiens aient rapidement une bonne maîtrise de leurs instruments et des gestes opératoires avant d'opérer leur patient. Il en va de la santé du malade et de la crédibilité de la chirurgie. C'est pourquoi le corps médical exerce une forte pression sur les ingénieurs afin qu'ils mettent au point des techniques d'enseignement.

Le Dr Cuttat du service chirurgie du CHUV et le Groupe Vision de l'EPFL ont décidé d'unir leurs efforts pour mettre au point un simulateur de chirurgie endoscopique le plus près possible de la réalité. Ce réalisme doit être respecté sur les points suivants:

la visualisation:

La vision 3D sur écran n'est plus un problème et son utilisation devient même fréquente en réalité virtuelle (Virtual Reality: VR). Notons que de ce point de vue, la contrainte la plus importante se situe au niveau du réalisme de l'image. Il est inconcevable que les chirurgiens s'entraînent sur des images type dessins animés. On ne peut donc pas se contenter d'images de synthèses car la connaissance actuelle dans ce domaine donne des résultats trop éloignés de la réalité pour ce genre d'application, nécessitant le temps réel (au moins 30 images/seconde). Nous devons donc utiliser des images vidéos prises à l'aide d'un endoscope que nous appliquons sur des objets 3D virtuels. Comme nous l'avons déjà décrit, ces images peuvent être soit en 2D soit en 3D.

la déformation

Les organes du corps humain sont en général déformables avec des propriétés différentes pour chacun d'entre eux. Nous devrons donc modéliser ces organes et appliquer à chacun d'entre eux une équation de déformation selon une contrainte.

Nous devrons également étudier et modéliser le comportement de tels systèmes lors de la rupture (cisaillement, rupture à la traction ou sous une pression interne trop forte, etc.).

le retour de force

Même si la sensation de toucher est fortement réduite lors de chirurgie endoscopique, elle reste fondamentale lors de l'apprentissage d'une opération. C'est le seul moyen de restituer le contact physique entre la main du chirurgien et les organes.

le temps réel

Ceci signifie que le calculateur est capable de détecter les entrées faites par l'utilisateur et d'y réagir en modifiant instantanément le monde simulé. C'est également un facteur déterminant dont on ne peut absolument pas se passer si l'on veut respecter le qualificatif de VR based. Un des aspects du problème consistera à concevoir un système capable d'une part de recevoir tous les outils de la chirurgie endoscopique, et d'autre part de pouvoir définir leur position 3D. En outre, la boîte noire dans laquelle seront introduits les outils devra être capable de générer un retour de force.

Le but est donc de mettre au point un véritable simulateur de chirurgie (dans un premier temps endoscopique). Dans sa phase initiale ce nouvel outil ne sera pas adapté à tous les patients, mais il sera conçu de façon à simuler les réactions d'un malade dit standard. Ce sera alors un véritable outil d'apprentissage et d'entraînement. N'importe quel incident pourra être simulé et n'importe quelle innovation pourra être tentée. Un tel simulateur constituerait un progrès considérable pour le milieu médical.

Dans un deuxième temps, des mises à jour de l'environnement standard sur la base de l'étude d'un patient particulier pourront être réalisées. Cela pourrait permettre de tester en salle d'opération les gestes avant de les exécuter. Dans un tel contexte, il est même envisageable d'exécuter de véritables opérations à distance. Des cas simples comme des sutures ont déjà été réalisés aux USA via un tel mode.

Travail en cours

L'idée proposée par le Groupe Vision consiste à adopter à ce nouveau domaine les outils VR testés avec succès dans le cadre des robots (classiques et mobiles) et à développer des outils manquants, en particulier pour ce qui est de la capacité à déformer les modèles virtuels 3D. Un premier pas a été fait dans ce sens lors d'un projet de semestre. L'application développée simule la déformation d'un intestin 3D virtuel texturé avec des images réelles et ceci en temps réel. Pour respecter le temps réel, la plate-forme utilisée est de type Onyx Reality Engine 2. Les déformations ont été calculées par la méthode des différences finies. Une illustration des résultats est donnée par les images du simulateur de chirurgie endoscopique ci-dessous.

Phase d'approche de l'outil

L'outil appuie sur la paroi de l'intestin

L'outil tire sur la paroi

Un autre outil qui reste à développer est un système incluant un retour de force. Cette boîte noire dans laquelle on aurait la possibilité d'introduire des outils chirurgicaux et un endoscope, afin d'opérer une zone virtuelle visualisée sur le moniteur, est en cours d'évaluation à l'IMT.

Le mariage de la VR, de la robotique et de la vision constitue un gain fondamental pour l'avenir de la chirurgie endoscopique. On ne peut pas imaginer que la chirurgie se passe de telles méthodes: ce qui était hier de la science fiction devient de plus en plus réalité dans beaucoup de laboratoires de recherche. Beaucoup d'universités l'ont compris et c'est sans aucun doute l'un des axes de recherche prioritaires pour les prochaines années.


article paru dans le Flash informatique spécial été 1994 du 6 septembre 1994