Dynamical modeling of the middle ear and tools organs interactions to develop a simulator applied to otological surgery
Modélisation dynamique de l’oreille moyenne et des interactions outils organes pour la conception d’un simulateur appliqué à la chirurgie otologique
Résumé
Microsurgery of the middle ear requires high dexterity due to the finesse and the extreme
sensitivity of the structures involved. Learning this surgery is delicate and is performed at the
end of the residency.
This work focuses on the development of a mechanical finite element model of the anatomical
structures that compose the middle ear in order to design a surgical simulator. The objectives are
to provide a versatile tool for learning and training of the surgery by surgical practice, as well as
the opportunity to explore and evaluate new surgical procedures related to new technologies such
as robotics.
The mechanical behavior of the developed model was successfully confronted with observations
on human specimens. In order to obtain a simulation tool that takes into account the anatomical
differences of each patient, a deformation approach of our mechanical atlas, based on clinical
imaging, was implemented. Simulations of the stapes footplate drilling and the placement of an
ossicular prosthesis were performed using a haptic interface and a novel rendering approach. This
work is thus the first virtual simulator of the middle ear surgery. Finally the tele-operated robot,
called RobOtol was incorporate in the simulator to explore new robot-based surgical procedures.
In addition, the simulation allows to train the otologists to the use of the robot.
This work concerns mainly on the interactive simulation of complex surgical procedures, as well
as on the learning and the robotization of the otologic microsurgery.
La microchirurgie de l’oreille moyenne requiert une forte dextérité en raison de la finesse et de
l’extrême sensibilité des structures impliquées. L’apprentissage de cette chirurgie est délicat et est
effectué en fin d’internat.
Ce travail porte sur le développement d’un modèle mécanique en éléments finis des différentes
structures qui composent l’oreille moyenne dans le but de concevoir un simulateur chirurgical. Les
objectifs sont de fournir un outil polyvalent pour l’apprentissage et l’entraînement de la chirurgie
par la chirurgie, ainsi que d’offrir la possibilité d’explorer et d’évaluer de nouvelles procédures
chirurgicales liées à l’apport de nouvelles technologies telles que la robotique.
Le comportement mécanique du modèle développé a été confronté avec succès aux observations
réalisées sur des pièces anatomiques. Afin d’obtenir un outil de simulation qui tient compte des
différences anatomiques de chaque patient, une méthode de déformation de l’atlas mécanique basée
sur l’imagerie clinique a été implémentée. La simulation du fraisage de la platine de l’étrier ainsi que
le placement d’une prothèse ossiculaire ont été réalisés à l’aide d’une interface haptique et d’une
nouvelle approche du rendu. Ce travail constitue ainsi le premier simulateur virtuel de chirurgie
de l’oreille moyenne. Enfin le robot télé-opéré, RobOtol, a été intégré au simulateur afin d’étudier
de nouvelles procédures chirurgicales robotisées. La simulation permet, en outre, d’entraîner les
otologistes à l’utilisation du robot.
Le travail effectué porte essentiellement sur la simulation interactive réaliste des procédures
chirurgicales complexes ainsi que sur la formation et la robotisation de la microchirurgie otologique.
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