Real-Time Dynamic Simulation and 3D Interaction of Biological Tissue: Application to Medical Simulators
Simulation Dynamique en Temps-Réel et Interaction 3D de Tissu Biologique: Application aux Simulateurs Médicaux
Résumé
The advent of medical imaging and new operating techniques has revolutionized the working methods of medical professionals. This change requires physicians and surgeons to undergo additional training. This is why the development of appropriate tools, like medical simulators, is of paramount importance. Within this context, we focus our work on physical modeling of soft tissue deformations and collision detection in virtual environments. First, we present various physical models and the numerical resolution methods associated with deformable objects. We then propose a new model developed for soft tissue simulation, by successively presenting the aspects related to the formulation of the model, the resolution of the model, and the treatment of the physical interactions. This model, based on Pascal's principle, allows us in a relatively simple way to represent biological tissue, thus making it possible for interactive simulation. Next, we present various existing algorithms for collision detection, as well as the difficulty in adapting these algorithms in medical simulators where complex deformable objects form the base of the simulated environment. We then propose the algorithms developed in our work to deal with this problem within the framework of the medical simulators. These algorithms have better numerical robustness and are optimized, allowing us to treat deformable bodies effectively. We apply our results within the framework of an echographic simulator of the human thigh and a simulator for the arthroscopic reconstruction of the ACL (anterior cruciate ligament of the knee).
L'avènement de l'imagerie médicale et de nouvelles techniques opératoires a bouleversé les méthodes de travail des médecins. Mais ce changement nécessitera une formation renforcée des praticiens et chirurgiens. C'est pourquoi le dévelopment d'outils appropriés comme les simulateurs médico-chirurgicaux se fait de plus en plus ressentir. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressés au problème de la modélisation des phénomènes de déformation de tissu biologique et à la détection des collisions dans un environment virtuel. Dans un premier temps, nous présentons les différents modèles physiques existants et les différentes méthodes de résolution numérique associées aux objets déformable. Nous proposons ensuite un modèle développé pour la simulation de tissu biologique, en présentant successivement les aspects liés à la formulation du modèle, à la résolution du modèle, et au traitement des interactions physiques. Ce modèle, basé sur l'utilisation du principe de Pascal, permet de modéliser de manière relativement satisfaisante des corps biologiques, tout en permettant une simulation interactive. Dans un deuxième temps, nous présentons les différents algorithmes existants pour la détection de collision, ainsi que la difficulté d'adapter ces algorithmes aux simulateurs médicaux où les objets déformables complexes forment la base du modèle. Nous proposons ensuite les algorithmes développés pour traiter ce problème dans le cadre des simulateurs médicaux. Ces algorithmes présentent des caractéristiques de robustesse numérique et d'efficacité supérieures á l'existant, et permettent de traiter des corps déformables. Nous appliquons ces résultats dans le cadre d'un simulateur échographique de la cuisse humaine et d'une simulateur de chirurgie arthroscopique du LCA (ligament croisé antérieur du genou).
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