Considérons par exemple le développement et le perfectionnement de la chirurgie laparoscopique. Ce type de chirurgie désigne les opérations abdominales réalisées à l'aide d'instruments introduits dans l'abdomen par de petites incisions et manipulés à distance par le chirurgien. Les résections hépatiques (c'est-à-dire l'ablation de parties du foie) sont un exemple d'interventions qui peuvent être pratiquées de cette façon dans certaines circonstances.

Du gaz, généralement du gaz carbonique, est insufflé dans l'abdomen du patient pour créer un espace ouvert à l'intérieur du corps. Une caméra vidéo est insérée dans l'abdomen par l'une des petites incisions. L'image vidéo est agrandie et transmise à un écran à haute résolution qui permet au chirurgien de visualiser avec une grande acuité l'anatomie abdominale. L'intervention est réalisée à l'aide d'instruments spéciaux introduits par les autres incisions.

La chirurgie minimalement invasive présente de nombreux avantages pour le patient : une réduction de la douleur, moins de complications ultérieures, de petites cicatrices avec un faible impact esthétique, une guérison plus rapide et plus généralement une meilleure récupération du patient. Toutefois, avant de s'essayer à une telle intervention dans des conditions réelles, le chirurgien doit acquérir des compétences spécifiques et développer une coordination avancée de la main et de l'œil.

 

1. La simulation chirurgicale numérique

Simulation de chirurgie hépatique avec retour d'effort. © INRIA / Photo Jim Wallace

Avant le développement de la simulation chirurgicale numérique, les médecins pouvaient s'entraîner sur des systèmes mécaniques prévus à cet effet, nommés « endotrainers », ou sur l'animal. Les endotrainers permettent au chirurgien d'utiliser les mêmes types d'instruments que ceux qui sont utilisés en chirurgie minimalement invasive, insérés par les ouvertures d'une boîte transparente. Le chirurgien peut ensuite interagir avec des objets en plastique représentant les divers organes. Ceci constitue une approximation très grossière et statique de la réalité, qui ne restitue pas la nature dynamique des tissus, la présence des vaisseaux, la vision indirecte du champ opératoire, le saignement potentiel des organes et autres facteurs. L'entraînement chirurgical sur l'animal est beaucoup plus réaliste, mais soulève un certain nombre de problèmes éthiques qui limitent sévèrement sa diffusion actuelle et future. En outre, l'utilisation d'animaux à des fins d'entraînement chirurgical reste une approche d'enseignement et de formation assez onéreuse.

En comparaison, la simulation numérique peut offrir des avantages incommensurables : la capacité à apprendre à partir de ses erreurs, la possibilité de s'exercer seul ou avec un formateur, ainsi qu'une adaptabilité supérieure permettant la simulation de divers scénarios allant des pathologies standard à des cas extrêmement rares. Mais l'intérêt des simulateurs chirurgicaux va plus loin que le simple outil de formation des internes aux modes opératoires connus des interventions minimalement invasives. En effet, les simulateurs chirurgicaux pourraient être utilisés pour répéter une intervention complexe avec les données spécifiques du patient et devenir ainsi un prolongement naturel de la planification préopératoire. Les simulateurs pourraient également servir à attester de manière quantitative et objective les compétences d'un chirurgien.

Différentes générations de simulateurs

Les simulateurs chirurgicaux peuvent être classés en trois catégories.

Les simulateurs de première génération représentent uniquement l'anatomie, en particulier la géométrie des structures impliquées dans une intervention chirurgicale. Dans ces simulateurs, l'utilisateur peut essentiellement naviguer dans une représentation virtuelle du patient, avec un jeu limité d'interactions possibles. Plusieurs simulateurs de ce type ont été développés, en particulier pour l'endoscopie virtuelle (pour des interventions de colonoscopie ou de bronchoscopie). Certains sont disponibles dans le commerce, déjà reliés à la console de traitement de certains systèmes d'imagerie tels que l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la tomodensitométrie (TDM). Ces simulateurs sont principalement utilisés comme outils de diagnostic complémentaires et également pour aider à la planification des interventions chirurgicales, mais ne sont généralement pas bien adaptés à la simulation des gestes chirurgicaux.

Les simulateurs de deuxième génération comprennent non seulement la modélisation géométrique de l'anatomie de l'organisme mais également la modélisation des propriétés physiques des tissus vivants. L'introduction des propriétés biomécaniques est essentielle pour permettre des interactions réalistes entre les instruments chirurgicaux et les tissus mous, y compris les déformations et les découpes. Aucun simulateur de deuxième génération n'est actuellement disponible dans le commerce, bien que de nombreux prototypes aient été développés et utilisés par plusieurs groupes de recherche, notamment pour la simulation de la résection de la vésicule biliaire et la simulation d'interventions chirurgicales en obstétrique.

Les simulateurs de troisième génération associent les modélisations anatomique, physique et physiologique c'est-à-dire la modélisation des fonctions de certains systèmes organiques tels que les systèmes cardiovasculaire, respiratoire ou digestif. À cela s'ajoute un degré de complexité lié à la nature des propriétés physiologiques et physiques. Certains modèles intéressants existent pour le système cardiopulmonaire, le système vasculaire et le système cardiaque.

Problèmes liés à la simulation chirurgicale

Un simulateur chirurgical de deuxième génération fait appel à la modélisation géométrique et physique des tissus humains pour modéliser les informations biomédicales, et restitue ces informations à l'utilisateur au travers d'une interface multimodale, avec retour visuel et haptique. Ces divers éléments font donc l'objet de recherches.

Les modèles géométriques des structures anatomiques sont, dans la plupart des cas, extraites d'images médicales en 3D (scanners ou imagerie par résonance magnétique (IRM)) avec certains outils de traitement d'image réservés à cet effet. Nous pouvons établir une distinction entre la constitution de modèles anatomiques « standard » et de modèles spécifiques à un patient. Les premiers sont utilisables dans le contexte de l'enseignement des gestes chirurgicaux pour les internes, alors que les autres sont nécessaires lorsque la simulation est utilisée pour répéter une intervention chirurgicale particulière.

La modélisation physique d'un simulateur comprend la modélisation des contacts entre les instruments virtuels et les tissus mous ainsi que la déformation biomécanique des tissus mous. Lorsqu'un choc est détecté entre une structure anatomique et un instrument chirurgical, des efforts sont appliqués sur la frontière des modèles de tissus mous et, en fonction de la nature de l'instrument, un morceau de tissu peut être prélevé. Le tissu mou est ensuite déformé selon un comportement biomécanique donné. Plusieurs modèles mathématiques ayant été proposés dans la littérature, le choix de l'un d'entre eux doit prendre en compte deux éléments antagonistes : le réalisme de la simulation et le temps de calcul pour mettre en œuvre ce modèle.

Enfin, l'interface utilisateur du simulateur chirurgical est de la plus haute importance, car il est essentiel, pour un entraînement efficace, que les chirurgiens agissent comme s'ils opéraient sur un patient réel. Les deux sens principaux qui doivent être reproduits sont la vue et le toucher. Pour produire une restitution visuelle convaincante, il est nécessaire de modéliser correctement les textures des tissus, les effets d'éclairage spécifiques d'un endoscope et différents effets spéciaux tels que les saignements. Une restitution haptique, c'est-à-dire qui donne un retour d'effort, est également un élément important pour la perception tridimensionnelle d'une intervention chirurgicale.