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Article

1 - GESTES MÉDICO-CHIRURGICAUX ASSISTÉS PAR ORDINATEUR : DE L'OS AUX TISSUS MOUS

2 - MODÉLISATION BIOMÉCANIQUE DES TISSUS MOUS DU VIVANT ET GMCAO

3 - VERROUS SCIENTIFIQUES DE LA BIOMÉCANIQUE POUR LES GMCAO

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : MED8200 v1

Conclusion
Biomécanique pour les gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur

Auteur(s) : Yohan PAYAN

Date de publication : 10 juin 2014

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RÉSUMÉ

Cet article aborde la problématique de modélisation biomécanique des tissus mous du corps humain dans un contexte de gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur (GMCAO). Pour chaque organe d'intérêt, l'idée sous-jacente consiste à développer des modèles numériques patient-spécifiques de type éléments finis qui prédisent les déformations de l'organe suite à des contraintes externes ou internes. Sont abordés d'une part le cadre de modèles utilisés pour une assistance préopératoire (exemple de la chirurgie maxillo-faciale) et, d'autre part, le cas de modèles devant fournir des calculs en temps réels (avec les exemples de la prévention des plaies de pressions et de la résection de tumeurs en neurochirurgie).

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ABSTRACT

Biomechanics for Computer Assisted Medical Interventions

This paper focuses on biomechanical modeling of human soft tissues in the context of Computer Assisted Medical Interventions (CAMI). For each organ, the underlying idea consists in developing patient-specific numerical Finite Element models that predict the organ deformations due to internal and external constraints. Models used for assisting surgical planning are first presented (with the example of maxillofacial surgery) then models needing a real-time computation are discussed with examples of pressure ulcer prevention and brain shift compensation during neurosurgery.

Auteur(s)

  • Yohan PAYAN : Directeur de recherche CNRS - Responsable de l'équipe GMCAO (Gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur) Laboratoire TIMC-IMAG Université Joseph Fourier Grenoble 1

INTRODUCTION

Au carrefour de la médecine, de l'informatique et de la bio-ingénierie, les gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur (GMCAO) sont en plein essor, en réponse à une forte demande médicale. En parallèle à l'entrée effective de l'informatique dans les hôpitaux (imagerie médicale, systèmes d'informations hospitaliers intégrés), les gestes médicaux deviennent de moins en moins « invasifs », pour réduire les traumatismes du patient, les temps d'hospitalisation et les conséquences postopératoires. Dans ce contexte, les GMCAO 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. Afin d'être de plus en plus précises, les stratégies opératoires vont par exemple associer aux planifications préopératoires classiques des techniques de simulation reposant sur des modèles complexes (modèles statistiques ou biomécaniques par exemple). De la même manière, avec des gestes chirurgicaux qui deviennent de moins en moins invasifs, et donc avec une vision réduite et un accès restreint aux organes, des techniques de réalité virtuelle peuvent être utilisées pour augmenter la perception du chirurgien, et des systèmes de guidage robotisés peuvent être requis pour compléter sa dextérité.

Les méthodologies des GMCAO sont très souvent présentées suivant trois étapes chronologiques. Dans un premier temps, des données sont collectées (imagerie médicale traditionnelle, vision par ordinateur, métrologie) puis éventuellement injectées dans de la connaissance a priori (modèles anatomiques, modèles statistiques, etc.) afin de construire un modèle virtuel du patient. La deuxième étape concerne alors la planification de l'intervention médicale ou chirurgicale. Le chirurgien va pour cela utiliser le modèle virtuel du patient pour définir la stratégie opératoire optimale. Cette stratégie peut mettre en œuvre des outils d'optimisation (pour délivrer aux tissus pathologiques la dose de radiations optimale en radiothérapie par exemple) ou des outils de modélisation géométrique et/ou mécanique (par exemple, pour des voies d'abord difficiles avec des trajectoires complexes, ou dans des situations pour lesquelles les structures anatomiques opérées peuvent bouger, voire se déformer au cours de l'intervention). Enfin, la dernière étape des méthodologies des GMCAO consiste à transférer le planning défini sur le modèle du patient dans les conditions du bloc opératoire. En d'autres termes, il s'agit de relier le monde informatisé des données, images et planning préopératoire, au monde réel de la salle d'opération, avec le patient, le chirurgien et ses ancillaires. La robotique médicale et ses ancillaires informatisés est la réponse qui a été proposée aux chirurgiens pour matérialiser ce lien entre planning informatique et bloc opératoire.

Cet article vise à fournir un aperçu des techniques relevant de la bio- mécanique tissulaire qui ont été mises en jeu dans un modèle virtuel du patient. Par biomécanique tissulaire, nous entendons la mise en œuvre d'outils de modélisation permettant de prédire les déformations des tissus mous du vivant. Nous évoquerons aussi bien les modèles biomécaniques utilisés pour une assistance au planning chirurgical (c'est-à-dire avant intervention) que les modèles exploités en temps réel (c'est-à-dire en cours de chirurgie ou pour un retour immédiat des résultats des simulations vers le chirurgien ou le patient).

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KEYWORDS

Modeling of soft tissues   |   biomechanics modeling   |   medicine   |   biomedical   |   computer assisted medicine   |   medical intervention   |   bio-engineering

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-med8200


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4. Conclusion

Introduits dans les années 1980, les Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur (GMCAO) font aujourd'hui partie de la pratique clinique avec la présence de nombreux produits industriels utilisés pour une aide à la planification d'un geste clinique ou pour une assistance peropératoire. La terminologie de « robotique médicale »  fait partie du langage courant du grand public, même si les dispositifs de GMCAO couvrent un spectre beaucoup plus large que le simple champ de la robotique. En particulier, la prise en compte des déformations des tissus mous du corps humain par ces dispositifs de GMCAO constitue un des challenges des années qui viennent. Le champ de la biomécanique s'est emparé de ce problème  et des résultats encourageants commencent à voir le jour. L'idée sous-jacente consiste à modéliser le plus finement possible les tissus mous patients-spécifiques afin d'estimer leur comportement en réaction à des contraintes externes (de type action d'un ancillaire chirurgical ou contact avec un organe voisin) et/ou internes (déformations liées à des activités musculaires par exemple). Les difficultés d'élaboration des modèles patients-spécifiques et de calculs des déformations dépendent de l'application et du contexte pré ou peropératoire. La génération automatique de modèles biomécaniques (de type éléments finis le plus souvent) adaptés aux morphologies des patients, la caractérisation in vivo des propriétés mécaniques des tissus mous et le calcul temps réel des simulations numérique sont sans doute les enjeux majeurs des années à venir. Nul doute que le XXIe siècle verra l'avènement des techniques de GMCAO dans tous les blocs chirurgicaux, avec des dispositifs qui seront alors considérés par les chirurgiens comme des outils standards, tout comme le sont aujourd'hui les bistouris, les distracteurs ou les...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - TROCCAZ (J.) -   Medical robotics.  -  Wiley-ISTE, ISBN : 978-1-84821-334-0 (2012).

  • (2) - LAVALLÉE (S.), SAUTOT (P.), TROCCAZ (J.), CINQUIN (P.), MERLOZ (P.) -   Computer assisted spine surgery: a technique for accurate transpedicular screw fixation using CT data and a 3D optical localizer.  -  Journal of Image Guided Surgery, 1(1), p. 65-73 (1995).

  • (3) - MERLOZ (P.), TONETTI (J.), EID (A.), FAURE (C.), LAVALLÉE (S.), TROCCAZ (J.), SAUTOT (P.), HAMADEH (A.), CINQUIN (P.) -   Computer assisted spine surgery.  -  Clin Orthop, vol. 337, p. 86-96 (1997).

  • (4) - TONETTI (J.), CARRAT (L.), LAVALLÉE (S.), CINQUIN (P.), MERLOZ (P.), PITTET (L.) -   Ultrasound-based registration for percutaneous computer assisted pelvis surgery: application to iliosacral screwing of pelvis ring fractures.  -  Computer Assisted Radiology and Surgery, LEMKE (H.U.), VANNIER (M.W.) et INAMURA (K.) (Editors), Elsevier Science BV, p. 961-966. (1997).

  • (5) - FORTIN (T.), COUDERT (J.L.), CHAMPLEBOUX (G.), SAUTOT (P.), LAVALLÉE (S.) -   Computer assisted dental implant surgery using computed tomography.  -  ...

1 Outils logiciels

• Logiciel Eléments Finis ANSYS http://www.ansys.com

• Plateforme de modélisation biomécanique ArtiSynth http://www.artisynth.org

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2 Annuaire

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2.1 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)

Laboratoire technique de l'Ingénierie médicale et de la complexité – informatique, mathématiques et applications, Grenoble (TIMC-IMAG) http://www-timc.imag.fr, UMR CNRS 5525, Université Joseph Fourier de Grenoble

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