Development of a 3D Finite Element Model Applied to Soft Tissues Surgery Simulation
Développement d'un modèle éléments finis 3D appliqué à la simulation d'opérations chirurgicales des tissus mous
Résumé
There is a growing need in surgical simulation, especially with the development of complex surgical methods. Nevertheless, surgical simulators must be accurate in order to be efficient. In this context, we have developed a software code, with the collaboration of the university hospital Archet II, based on a finite element method and using hyperelasticity constitutive equations, which are more suitable for describing large deformation of soft tissues. However, this software has led to numerical instabilities which have been eliminated using a visco-elastic model. The added viscosity component has been defined in order to avoid any modification of the elastic behaviour of the organs. This means that it must be low enough to be negligible comparing to the elastic behaviour but high enough to avoid or postpone instabilities. An inverse analysis procedure, for which mechanical tests have been developed, allowed us to identify the uterus and fallopian tube rheological parameters. The experimental data have been recorded just after hysterectomy has taken place in order to be as close as possible to the in-vivo conditions. Moreover, a numerical cutting method, based on the "kill element" one, allowed us to qualitatively simulate elementary gestures of a fallopian tube section: clamping to avoid any displacement and cutting.
Devant la complexité croissante des pratiques chirurgicales et les préoccupations éthiques et médico-légales, les simulateurs chirurgicaux ont su montrer a priori leur utilité. Mais pour être vraiment efficaces, ils doivent être précis. Nous nous sommes intéressés dans le cadre de cette thèse, menée en étroite collaboration avec le service de gynécologie obstétrique de l'hôpital L'archet II de Nice, au développement d'un logiciel de simulation d'opérations chirurgicales réaliste. Basé sur la méthode des éléments finis, il prend en compte des lois de comportement hyperélastiques, supposées être parmi les mieux adaptées pour décrire le comportement mécanique des tissus mous. Après avoir mis en évidence des instabilités numériques de notre code éléments finis du fait de l'utilisation de ces lois, nous nous sommes intéressés à un modèle visco-hyperélastique. Ne cherchant pas en première approximation à rendre compte du comportement visqueux des organes, la part visqueuse de la loi de comportement a été déterminée de façon à être suffisamment faible pour ne pas modifier le comportement global des tissus mais suffisamment grande pour éliminer les instabilités. Une méthodologie d'identification par analyse inverse qui a nécessité, outre la mise au point de notre code éléments finis, le développement d'essais mécaniques appropriés, a été appliquée à l'identification des paramètres rhéologiques d'un corps utérin et d'une trompe de Fallope. De façon à identifier le comportement des organes au plus près de qu'il est in vivo, les essais expérimentaux ont été réalisés juste après leur ablation, dans une salle contiguë au bloc opératoire. Le développement d'un module de découpe, basé sur la méthode du "kill-element" nous a par ailleurs permis de simuler une suite d'opérations chirurgicales élémentaires allant de la stabilisation des organes, à l'aide de pinces chirurgicales, à leur découpe à l'aide de ciseaux chirurgicaux, pour lesquels nous avons observé de bons résultats qualitatifs.