Simulateur collaboratif de chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique en réalité virtuelle avec interface haptique logicielle

REMERCIEMENTSJe tiens à remercier les gens ayant contribué à la réalisation de cette thèse.Je voudrais tout d'abord exprimer ma reconnaissance à mes directeur et codirecteur de recherche, Benoît Ozell et Carl-Éric Aubin, pour leur soutien, leur disponibilité, leur mentorat, leur enthousiasme, leur support financier et les nombreuses opportunités qu'ils m'ont offertes.Je remercie également les gens du Laboratoire de Modélisation Biomécanique et de Chirurgie Assistée par Ordinateur (LMBCAO), et tout particulièrement Xiaoyu Wang, stagiaire postdoctoral, Fanny Canet, étudiante à la maîtrise en génie mécanique, Simon Desgreniers, étudiant à la maîtrise en génie mécanique, Annick Koller, associée de recherche, Christian Bellefleur, associé de recherche, et Nadine-Michèle Lalonde, stagiaire postdoctorale, pour leur aide en rapport à la modélisation haptique, aux dessins techniques et à la réalisation du montage pour les tests usagers, et Julie Joncas, infirmière de recherche, pour avoir rendues possibles mes visites en salle d'opération et m'avoir fourni les informations sur les patients de la bibliothèque de cas.J'aimerais aussi remercier Maël Leclair, étudiant à la maîtrise en génie informatique, pour sa participation aux tests collaboratifs transatlantiques; Dave Deshaies-McMahon, étudiant finissant au baccalauréat en génie mécanique, pour son aide à la préparation d'un montage avec clé dynamométrique et pour ses idées et les nombreuses questions soulevées en lien avec la partie mécanique de l'interface haptique; les chirurgiens orthopédistes du CHU Sainte-Justine qui ont participé aux tests usagers, pour leur collaboration et leurs commentaires constructifs; ainsi que Scott Drapeau (Medtronic), pour les modèles 3D des outils chirurgicaux.Je veux également exprimer ma gratitude envers le personnel administratif et enseignant du département de génie informatique et génie logiciel et du département de génie mécanique pour leur assistance et leur coopération.Je remercie le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) pour m'avoir octroyé une bourse d'études supérieures dans le cadre de ce projet doctoral, ainsi que iv pour leur support, avec Medtronic, à travers la Chaire de recherche industrielle CRSNG/Medtronic en biomécanique de la colonne vertébrale.Enfin, cette thèse n'aurait pas été possible sans les encouragements et le soutien formidable de mon mari Charles.v RÉSUMÉ La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale qui nécessite, dans les cas graves, une intervention chirurgicale invasive et très délicate visant à redresser la colonne.Les outils disponibles pour l'entraînement des médecins, tels que les cadavres et les rachis synthétiques, présentent des inconvénients majeurs : les jeunes cadavres disponibles atteints de scoliose se font rares; le réalisme du comportement biomécanique est questionnable; ces deux types d'outils ne peuvent être réutilisés; ils ne représentent pas toute la variété des cas scoliotiques.Les technologies de la réalité virtuelle et les simulations numériques peuvent offrir des solutions pour contourner ces inconvénients.Afin d'aborder cette problématique, l'objectif général de la recherche a consisté à élaborer un prototype logiciel de simulateur collaboratif de chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique en réalité virtuelle incluant un retour d'effort logiciel pour les manœuvres correctrices principales de la chirurgie, offrant ainsi un outil d'entraînement et d'apprentissage alternatif aux outils traditionnels.Ce projet est entré dans la continuité des travaux de recherche d'étudiants et d'associés de recherche de la Chaire de recherche industrielle CRSNG/Medtronic en biomécanique de la colonne vertébrale, et s'est distingué principalement par la mise en place de l'aspect collaboratif pour un contexte d'entraînement réaliste avec des participants distants, ainsi que le développement et l'évaluation d'une interface haptique logicielle.La revue bibliographique a suggéré que la chirurgie orthopédique ne semble pas encore bénéficier du potentiel offert par la réalité virtuelle et les interfaces haptiques quant à la simulation et à l'entraînement virtuel autant que d'autres types de chirurgies.La plupart des chirurgies pour lesquelles des simulateurs ont été développés impliquent des organes démontrant une certaine compliance, un espace de travail relativement restreint et des forces de faibles amplitudes, pouvant être simulées à l'aide de systèmes haptiques commerciaux génériques.Au contraire, la chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique nécessite l'application d'efforts de grande amplitude pour des mouvements relativement lents à peu de degrés de liberté, requérant un système haptique spécifique.De plus, les modèles physiques, bien que plus complexes et ABSTRACT Scoliosis is a three-dimensional deformation of the spine requiring, in severe cases, a highly delicate and invasive surgical operation to correct the spinal deformities.Available tools for surgical training, such as cadavers and synthetic spines, have major drawbacks: limited availability of young cadaveric spines with scoliosis; questionable behaviour realism; destruction after first use; limited variability in scoliotic cases for training.Virtual reality technologies and computer simulations can offer solutions to these drawbacks.To address this problem, the general objective of this research consisted in elaborating the software prototype of a collaborative virtual reality scoliosis instrumentation surgery simulator, including force feedback for the main corrective surgical manoeuvres, as an alternative training and learning tool.This project has been a continuation of previous work from graduate students and research associates of the NSERC/Medtronic Industrial Research Chair in Spine Biomechanics, and focused on setting up and testing the collaborative aspect for a realistic training context with remote participants, as well as developing and evaluating a software haptic interface.The literature review suggested that orthopaedic surgery does not seem to benefit from virtual reality technologies and haptic interfaces regarding simulation and virtual training as much as other types of surgeries.Most surgeries for which simulators have been developed involve organs with a certain compliance, a relatively confined workspace and Ŗdelicateŗ forces, and can be simulated with generic commercial haptic devices.On the contrary, scoliosis instrumentation surgery involves the application of high forces through moderately slow and of few degrees of freedom movements, requiring a haptic device specific to scoliosis surgery.Also, physical models, although more complex and computationally expensive than geometric models, are necessary for a realistic haptic experience.In light of these observations, we stated two hypotheses.The first hypothesis was that the main corrective manoeuvres of scoliosis instrumentation surgery can be modeled and simulated in immersive virtual reality with a software haptic interface and a patient-specific biomechanical model at ±15 % of the actual force ix values as perceived by expert surgeons.The second hypothesis was that a multirate haptic rendering loop, based on a prediction / correction algorithm, will achieve the minimal required update rate (1000 Hz) for a functional force feedback in a realistic training context.To test these hypotheses, our methodology included a modular client -server software architecture (developed in previous work) composed of three main entities: a collaborative biomechanical server, a telepresence multi-user server, and a virtual reality simulation client able to run on a standard PC as well as on a CAVE-like immersive environment system.We implemented a software haptic interface for the central corrective manoeuvre, the rod rotation.The haptic modelling on the server side relied on an adapted version of a complex patientspecific biomechanical model from a surgical planning tool, and the haptic rendering on the client side relied on a prediction / correction algorithm inside a multirate rendering loop to compensate for time delays mainly due to computations on the server side and to network latency.We took advantage of the fact that it is possible to directly predict the forces rather than having to predict the device position, as it is the case for most of the systems using prediction to deal with time delays.The predictive part thus relied on haptic values precomputed during the training session, and the corrective part used real haptic values and a third-order convergence mechanism.In the absence of a physical haptic interface specific to scoliosis surgery, to be developed in a future project, we used a color-coded visual rendering of haptic values and a pseudo-haptic rendering that modified the control / display ratio, i.e. the surgical tool movement visual restitution gain.We improved users' feeling of telepresence during training sessions by sharing haptic values and implant, rod, and manipulated tool changes in position among clients, and demonstrated through collaborative transatlantic and transcontinental tests that the simulator was functional in realistic conditions.The simulated force profile of a specific scoliotic case has been evaluated by a small group of expert surgeons with a simple mechanical apparatus recreating the rod rotation manoeuvre.Results are acceptable.The maximal forces during the rod rotation manoeuvre simulated for four scoliotic patients matched the few data available in the literature.The prediction / correction algorithm led to a haptic update rate surpassing the minimal rate required for a haptic interface.The simulated force profile evaluated by expert surgeons showed a global realistic appearance x with slightly inferior values compared to forces applied in the operating room.We also demonstrated that the simulator was fully functional for geographically distant partic

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