SI SPECIAL ETE 97

le techno-quotidien

dessin Enrico

Environnement virtuel et chirurgie endoscopique

par Charles Baur, e-mail: Charles.Baur@imt.dmt.epfl.ch,
EPFL-DMT, VRAI Group

Table des matières

Il y a environ trois ans, le VRAI Group (Virtual Reality and Active Interface) de l'IMT-DMT lançait les premières bases d'un développement qui visait à réaliser un système d'entraînement pour chirurgie endoscopique1. L'idée était de réaliser l'équivalent pour un chirurgien du simulateur de vol pour un pilote: proposer un système qui, à moindre frais et sans risque, permette d'acquérir une expertise et/ou d'affiner un savoir faire. L'ablation de la vésicule biliaire a été retenue comme cadre applicatif. Cette opération a été le premier «geste gastro-enterologique» réalisé par une voie endoscopique. Cette opération représente aujourd'hui l'opération de base pour le chirurgien débutant avec les techniques endoscopiques. A l'époque, le premier prototype utilisable par des médecins avait été planifié pour fin 1999. Cet article est l'occasion d'un premier bilan des travaux en cours.

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Un peu d'histoire

La rencontre d'un médecin, le Dr. Cuttat, alors chef de clinique au CHUV et des chercheurs du VRAI Group de l'EPFL permit de définir un premier cahier des charges du système. Ceux-ci, après avoir évalué les différentes esquisses de projet qui, au niveau mondial, défrichaient le domaine de l'entraînement virtuel appliqué à la médecine, conclurent que leur savoir faire en visualisation et manipulation de données tridimensionnelles en temps réel leur permettait d'avoir une carte intéressante à jouer dans cette course vers une meilleure maîtrise de la chirurgie endoscopique.

Fig.1 - une scène de VIRGY 2.0, le système de type réalité virtuelle» développé par le goupe VRAI de l'IMT-DMT

Dans sa conception initiale déjà, le projet se voulait en trois volet. En s'appuyant sur l'expertise en conception mécanique de l'IMT-DMT, la direction du projet choisit d'emblée d'intégrer la réalisation d'un système de retour de force. On peut assimiler un tel système à un robot inverse sur lequel vient se fixer les outils manipulés par l'apprenti chirurgien. En fonction des paramètres de contrôle envoyés à ce robot, on peut restituer le sentiment tactile. L'existence d'une composante visuelle et d'une composante tactile impose des capacités de communication extrêmement particulières. C'est pourquoi, un troisième volet dédié à l'échange d'information entre les éléments du système ainsi qu'entre les sites d'expérimentation a été démarré. Cette partie du projet est réalisée en collaboration avec le Laboratoire de télécommunication du Prof. Hubaux. En attaquant simultanément les trois aspects, les chercheurs de l'IMT-DMT marquaient leur volonté de penser en terme système industriel par opposition aux approches de leurs concurrents essentiellement orientées vers la visualisation. Les contacts avec le monde médical soulignaient en effet que seule la prise en compte conjointe des contraintes visuelles et tactiles pouvaient permettre d'aboutir à un système utilisable dans le cursus d'un médecin. Très rapidement, l'expérience montra aussi que les contraintes d'un des domaines influençait directement sur l'autre et réciproquement. Dans cet article nous ne parlerons essentiellement que de la partie visualisation.

Fig.2: saignements par texturation live

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Un environnement virtuel dédié à la chirurgie endoscopique

Par rapport aux environnent virtuels développés par le VRAI Group dans le cadre de la robotique classique et mobile, la chirurgie endoscopique pose deux nouvelles contraintes. La première réside dans la capacité de pouvoir déformer à haute vitesse et de manière réaliste les objets avec lequel le chirurgien va interagir. La seconde est associée à la qualité de rendu nécessaire pour que le chirurgien ait l'impression de visualiser sur son écran une image de même qualité que celle retournée par un endoscope lors d'une opération réelle. Différents aspects, parfois s'opposant les uns aux autres, sont à prendre en compte lors de la modélisation. Parmi les plus importants on peut citer la géométrie, la photométrie et la physique associée aux éléments constituant l'environnement virtuel.

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Les géométries

Par géométrie on n'entend pas exclusivement le nuage de points représentant les organes, mais également les outils nécessaires à une représentation et une manipulation 3D de ceux-ci. Dans un premier temps, avec l'aide d'un anatomiste (Dr. Fasel / HUG), la base de donnée visible human2 a été utilisée pour générer les organes. Les données sont alors dites génériques car elles représentent une pathologie d'un patient de référence. Il est clair qu'à moyen terme, des données dédiées, à savoir dérivées d'un patient particulier, suscitent de nombreux espoirs. L'idée est alors de pouvoir préparer, via le simulateur, les particularités d'une opération à venir. Les informations nécessaires à la modélisation sont dans ce cas issues des techniques de visualisation utilisées par la médecine contemporaine: ultrasons, CT scan, MRI, rayons X, etc. Cette étape s'inscrit comme la situation intermédiaire vers la phase finale visée par les développements du groupe Vrai, à savoir la capacité de mettre à jour en ligne l'environnement virtuel représentant la zone opérée. Le but étant alors de passer du planning à un monitoring de l'opération. La première étape fait aujourd'hui l'objet de l'essentiel des efforts de développement. Les raisons en sont simples: un système d'entraînement ne doit, pour l'instant, faire l'objet d'aucune procédure d'évaluation avant de pouvoir être mis en oeuvre. Obtenir une approbation de la puissante FDA américaine peut, pour les autres variantes, conduire à des délais de plusieurs années avant de voir un produit sur le marché...

Les techniques de modélisation classiques ne sont pas adaptées aux contraintes de la chirurgie. Pour pouvoir assurer des gestes chirurgicaux comme par exemple la découpe de tout ou partie d'organe ou encore pouvoir sélectionner à la volée des zones particulières pour les texturer ou encore modifier la résolution de celle-ci, il a fallu développer de nouvelles librairies. La version actuelle du système consiste en une couche Performer écrite en C++ appelée Libptk++.

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La photométrie

Un modèle 3D d'un organe, qu'il soit volumique ou, comme dans le cadre de ce projet, surfacique, ne suffit pas à un chirurgien. Il faut encore le texturer. Le système en cours de développement ne se limite pas à l'utilisation des techniques classiques (calcul de rendu, texture bitmap. etc.). Certaines astuces sur l'implantation des textures ont permis par exemple de faire pulser des organes3. En outre, pour respecter la contrainte de mise à jour de l'environnement à au moins 25 Hz, le VRAI Group a proposé et implémenté une approche dite de texturation live. L'idée consiste à utiliser comme source de texture des séquences vidéo réelles. Ainsi des phénomènes complexes comme les saignements ou la vaporisation des graisses peuvent être générés tout en respectant certaines contraintes dynamiques qui déterminent la qualité de l'immersion de l'utilisateur du simulateur. La possibilité de contrôler en tout temps la caractéristique texture de chacune des zones du champ opératoire virtuel permet de moduler sans fin les bases de données vidéo. De cette manière, il n'y a par exemple jamais deux saignements qui soient parfaitement similaires.

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La physique

Vouloir réaliser un environnement qui soit intégralement régi par les lois de la physique pose des contraintes temporelles qui empêchent de garantir un rafraîchissement satisfaisant pour le sens visuel de l'utilisateur. Vouloir ignorer complètement la physique est également impossible car certains événements régis par exemple par la gravité ou encore la friction doivent impérativement être pris en compte que ce soit au niveau du sens visuel ou tactile.

Pour que les modèles soient effectifs dans un environnement virtuel, ils doivent être contraints. C'est-à-dire que leur façon de réagir à des contraintes extérieures doit être définie. Ces contraintes peuvent être de type dynamique, optimisé ou réactif. Dans le cas dynamique, on doit être à même de déterminer la dynamique inverse du système. A partir de paramètres comme la vitesse ou la position, on doit pouvoir déterminer la force agissant sur l'objet. On parle d'optimisation quand on cherche à optimiser l'énergie du système. Dans ce but la fonction décrivant l'énergie potentielle d'une déformation est minimisée. Dans l'approche dite réactive, on génère des forces de réaction qui cherchent à annuler les forces externes qui violeraient sinon les contraintes initiales appliquées à l'organe considéré. Cette dernière approche qui a le mérite d'être très rapide a été implémentée. La version dite du profil de force est celle qui donne les meilleurs résultats. Dans ce cas on passe par l'approximation globale de la déformation de l'objet sous l'action de contraintes extérieures sans modéliser la structure interne de l'objet. Tous les points constituant l'enveloppe de l'objet sont reliés entre eux par des éléments de type ressort. Ainsi quand une force est appliquée sur un point donné, tous ses voisins vont se voir appliquer une force directement proportionnelle a leur position relative au point d'application et au profil considéré. L'avantage sur une méthode de type ressort-amortisseur souvent utilisée dans d'autre projets est de ne pas nécessiter le calcul de force de propagation. L'implémentation réalisée permet de modifier les profils au cours du temps, ce qui permet une excellente restitution du comportement de tous types de tissus sous contraintes. Une collaboration avec plusieurs chirurgiens est en cours pour permettre d'optimiser ces profils aux différentes étapes qui caractérisent l'ablation de la vésicule biliaire.

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Conclusion

Le développement d'un simulateur de chirurgie endoscopique au sein de l'IMT-DMT a généré un grand nombre de défis technologiques. Dans ce papier, nous nous sommes concentrés exclusivement sur les aspects associés à la visualisation et à la manipulation temps réel de données tridimensionnelles.

Les contraintes antagonistes «réalisme + précision» / «temps réel (25Hz)» ont conduit le goupe VRAI à investiguer des approches où le modèle physique associé aux objets manipulés est simplifié. Les résultats obtenus montrent que la qualité de l'immersion visuelle respecte le cahier des charges posé par les chirurgiens. Les approches proposées semblent également avoir un très gros potentiel pour de nombreux domaines de simulation où le réalisme visuel est central.

Les travaux actuels se concentrent sur les aspects liés à la découpe réaliste d'organes, la manipulation de tissus graisseux et à la texturation des événements associés. Le système proposé commence à être évalué par différents médecins. Les premières réactions très positives font que le but avoué d'en faire un produit industriel ne relève plus de l'utopie. Mais ça, l'équipe du VRAI Group n'en a jamais douté!

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Remerciements

Nos remerciements vont aux membres de l'IMT ainsi qu'aux étudiants de tout horizon qui contribuent à l'avancement de ce projet. Nous tenons également à remercier le Prof. Hubaux et son équipe ainsi que le Dr. J.-F. Cuttat (CHUV) et le Dr. J. Fasel (HUG) pour leurs contributions. Ce projet est financé par le Fonds National Suisse pour la Recherche (subside 21-40'762.95), le programme MINAST (Module 6, Virforce) ainsi que le conseil des EPF.


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© FI SPECIAL ETE du 2 septembre 1997