Physically-based 6-DoF Nodes Deformable Models: Application to Connective Tissues Simulation and Soft-Robots Control
Résumé
The medical simulation is an increasingly active research field. Yet, despite the promising advance observed over the past years, the complete virtual patient’s model is yet to come. There are still many avenues for improvements, especially concerning the mechanical modeling of boundary conditions on anatomical structures.
So far, most of the work has been dedicated to organs simulation, which are generally simulated alone. This raises a real problem as the role of the surrounding organs in the boundary conditions is neglected. However, these interactions can be complex, involving contacts but also mechanical links provided by layers of soft tissues. The latter are known as connective tissues or fasciae. As a consequence, the mutual influences between the anatomical structures are generally simplified, weakening the realism of the simulations.
This thesis aims at studying the importance of the connective tissues, and especially of a proper modeling of the boundary conditions. To this end, the role of the ligaments during laparoscopic liver surgery has been investigated. In order to enhance the simulations’ realism, a mechanical model dedicated to the connective tissues has been worked out. This has led to the development of a physically-based method relying on material points that can, not only translate, but also rotate themselves. The goal of this model is to enable the simulation of multiple organs linked by complex interactions.
In addition, the work on the connective tissues model has been derived to be used in soft robotics. Indeed, the principle of relying on orientable material points has been used to developed a reduced model that can reproduce the behavior of more complex structures. The objective of this work is to provide the means to control – in real-time – a soft robot made of a deformable arm.
La simulation médicale est un domaine de recherche de plus en plus actif. Cependant, malgré les avancées prometteuses observées ces dernières années, le modèle complet du patient virtuel reste un objectif ambitieux. Il existe encore de nombreuses opportunités de recherche, notamment concernant la modélisation mécanique des conditions aux limites des organes.
Jusqu'à présent, la majorité des travaux était consacrée à la simulation d'organes, ces derniers étant généralement simulés seuls. Cette situation pose un réel problème car l'influence qu'ont les organes environnants sur les conditions aux limites est négligée. Ces interactions peuvent être complexes, impliquant des contacts mais aussi des liaisons mécaniques dues à des couches de tissus connus sous le nom de tissus conjonctifs ou fasciae. Pour cette raison, les influences mutuelles entre les structures anatomiques sont généralement simplifiées, diminuant le réalisme des simulations.
Cette thèse visé à étudier l'importance des tissus conjonctifs, et plus particulièrement d'une bonne modélisation des conditions aux limites. Dans ce but, le rôle des ligaments lors d'une intervention chirurgicale sur la foie par laparoscopie a été étudié. Afin d'améliorer le réalisme des simulations, un modèle mécanique dédié aux tissus conjonctifs a été mis au point. Ainsi, une méthode basée sur la mécanique des milieux continus et un ensemble de nœuds à 6 degrés de liberté a été développée. L'objectif de ce modèle étant de permettre la simulation simultanée de plusieurs organes liés par des interaction complexes.
En outre, les travaux sur les tissus conjonctifs ont donné lieu à la mise au point d'une méthode de modélisation utilisée dans le cadre des robots déformables. Cette méthode permet un contrôle précis, et temps-réel, d'un bras robotisé déformable. En effet, l'utilisation de nœuds orientables a permis de développer un modèle a nombre de degrés de liberté réduit, qui permet de reproduire le comportement de structures plus complexes.
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