TEL - Thèses en ligne - Computer Based Interactive Medical Simulation ￼￼
tel-00839511, version 1
Stéphane Cotin 1
Stéphane Cotin 1 AuthorId : 865082
Abstract : Computer-based interactive medical simulation is a revolutionary technique for improving the effectiveness of medical practice while reducing risk exposure to patients. Although traditionally focused on training, such simulations could be used, in the near future, for planning and rehearsing complex interventions, or even for assisting physicians in the operating room. This manuscript presents a detailed overview of the multi-disciplinary field of medical simulation and highlights our various contributions in this area. After an overview, in Chapter I, of the many applications of medical simulation, Chapter II addresses the importance of models, from anatomical modeling (to create realistic, and potentially patient-specific, representations of the anatomy) to biomechanical modeling (to determine soft tissue characteristics, and define mathematical models of soft tissue deformation). Problems related to medical device modeling (such as flexible instruments of imaging devices) and physiological modeling (to compute blood flow for instance) are also addressed. Chapter III discusses the importance of tissue-tool interactions, which represent an essential part of medical procedures. Techniques for modeling such interactions, through efficient collision detection, and advanced contact mechanics, are presented in this chapter. In Chapter IV are presented several contributions in the area of validation, from the verification of algorithms for soft tissue deformation to the assessment of training systems. Chapter V is dedicated to the presentation of several prototypes of simulators that were developed during this research and Chapter VI presents an overview of our most recent efforts to design a framework for unifying key elements of real-time interactive simulations. This framework, called SOFA, is a multi-institutional collaborative work which has the potential to accelerate research, development and collaborations in the field of medical simulation. Finally, Chapter VII summarizes our different contributions to the field of medical simulation and presents challenging and exciting perspectives, in particular in the area of patient-specific interactive planning.
Résumé : La simulation médicale interactive sur ordinateur est une technologie révolutionnaire pour améliorer l'efficacité de nombreuses interventions médicales tout en réduisant le niveau de risque pour les patients. Bien que visant essentiellement l'apprentissage, ces simulations pourraient être utilisées, dans un futur proche, pour la planification d'interventions complexes ou même pour assister le praticien / clinicien dans la salle d'opération. Ce manuscrit présente une revue détaillée du domaine multi-disciplinaire de la simulation médicale, et illustre nos différentes contributions dans ce domaine. Après une vue d'ensemble, au Chapitre I, de nombreuses applications en simulation médicale, le Chapitre II décrit nos contributions sur les modèles, depuis la modélisation anatomique (afin de créer des représentations réalistes, et potentiellement adaptées au patient, de l'anatomie humaine) jusqu'à la modélisation biomécanique (pour déterminer les caractéristiques des tissus mous et définir des modèles mathématiques décrivant leur comportement). Les problématiques liées à la modélisation de matériel médical (instruments flexibles ou systèmes d'imagerie) ou encore la modélisation physiologique (pour le calcul d'écoulement sanguin par exemple) sont également abordées. Le Chapitre III s'attache à la modélisation des interactions entre instruments et tissus mous, qui occupent une part très importante dans toute intervention médicale. Les différentes techniques à mettre en oeuvre pour modéliser de telles interactions (détection de collision, modélisation des contacts et rendu haptique) sont décrites dans ce chapitre. Au Chapitre IV sont présentées plusieurs contributions liées à la validation, que ce soit pour comparer des modèles déformables ou pour l'évaluation de systèmes d'apprentissage. Le Chapitre V est dédié à la description de divers prototypes de simulateurs développés au cours de ces travaux de recherche, et le Chapitre VI présente nos récents travaux visant au développement d'une plate-forme Open Source dédiée à la simulation médicale. Cette plate-forme, appelée SOFA, est le fruit d'un travail collaboratif international à travers lequel nous espérons fédérer de nombreuses équipes de recherche. Finalement, le Chapitre VII résume nos différentes contributions et présente un ensemble de perspectives et de défis, en particulier dans les domaine de la simulation et de la planification sur des données spécifiques à des patients.
Keywords : simulation real-time medicine training planning physics-based modeling biomechanics haptics interaction physiology
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00839511
Soumis le : vendredi 28 juin 2013 - 12:09:00
Document(s) archivé(s) le : dimanche 29 septembre 2013 - 04:36:53
HDR_-_Final.pdf
HAL Id : tel-00839511, version 1
INRIA | SOFA | UNIV-LILLE3 | TDS-MACS
Stéphane Cotin. Computer Based Interactive Medical Simulation ￼￼. Modeling and Simulation. Université des Sciences et Technologie de Lille - Lille I, 2008. 〈tel-00839511〉