AISIM Compte Rendu de la deuxième réunion plénière (7-8 Sep. 1998, à Grenoble)

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La deuxième réunion pleinière de l'action incitative "Simulation de chirurgie" a été organisée par Fabrice Neyret et Jean-Christophe Lombardo, les 7 et 8 Septembre à Grenoble.

Liste des participants

Ont également assisté à la réunion:

Bernard Hennion (CNET)
Pr Jean-Pierre Zarski (CHU-Grenoble)
Dr Maynard-Muet (CHU-Grenoble)

Présentation des travaux réalisés

• SHARP : Simulation dynamique de type réseaux masses-ressorts. Tests quantitatifs de simulation temps réel sur différents maillages 3D du foie et problème de l'identification des paramètres.
  (François Boux de Casson, Diego d'Aulignac) (1ère partie: FBdC, 2ème partie DdA)
  
• iMAGIS : modèle élastique adaptatif
  (Gilles Debunne)
  
  Il peut être intéressant de calculer avec une précision variable les déformations et les forces mises en jeu dans différentes zones d'un matériau déformable, soit par exemple parce que cette partie est quasi immobile, soit au contraire parce qu'un outil est en contact avec une zone. Un modèle adaptatif décrivant le matériaux est proposé, fondé sur le modèle physique de Hooke. Le modèle choisi est linéaire, liant les déformations subies par le matériau (tenseur des déplacements) et les efforts internes qui en découlent (tenseur des contraintes). Les dérivées spatiales qui interviennent dans ces équations sont calculées grâce à une extension en 3D des polynômes de Lagrange, permettant le calcul sur une grille irrégulière. Les résultats, indépendants de la discrétisation, semblent effectivement bien se prêter à une approche adaptative. L'implémentation actuelle ne permet néanmoins pas de faire cohabiter dans la même simulation plusieurs discrétisations différentes, et n'est temps-réel que pour un faible nombre de particules simulées.
• EPIDAURE : Éléments finis et élasticité
  (Guillaume Picinbono) transparents PostScript
  
  Le choix d'un modèle déformable représentant des organes mous pour une application à la simulation de chirurgie sera guidé par deux contraintes essentielles et contradictoires : le RÉALISME et le TEMPS RÉEL. Le réalisme entraîne l'utilisation de la théorie de l'élasticité, modélisée de manière continue par des éléments finis. Parallèlement, la contrainte temps réel amène à faire des approximations par rapport au modèle d'élasticité de référence. En général c'est le modèle d'élasticité linéaire isotrope qui est utilisé.
  Les travaux présentés ici proposent une formulation éléments finis du modèle d'élasticité non-linéaire de St Venant-Kirchhoff, selon un schéma de résolution explicite, par intégration des équations de la dynamique. Ce modèle de St Venant-Kirchhoff a été étendu aux matériaux transversalement isotropes (c-à-d présentant une direction privilégiée). Le modèle linéaire anisotrope a été implémenté, et la version non-linéaire est en cours de développement.
• EPIDAURE/SINUS : Maillage tétraèdrique adaptatif pour modèle déformable temps réel (Jean-Christophe Lombardo) transparents PostScript
  
  Dans un contexte de modèle déformable nodal (masses/ressorts, éléments finis) la contrainte de temps réel impose un nombre maximal de noeuds. D'un autre côté, la précision d'une simulation dépend du volume de chaque noeud et des contraintes qui y sont appliquées. Un grand nombre de noeuds (chaque noeud modélise un petit volume de l'objet) permet d'obtenir une plus grande précision.
  Une façon d'améliorer la qualité de la simulation est de placer beaucoup de noeuds là où les contraintes sont fortes et peu de noeuds là où elles sont faibles. Ces zones peu ou beaucoup contraintes évoluent au cours de la simulation. Il faut donc faire évoluer le maillage au cours du temps.
  C'est ce que nous nous proposons de faire en utilisant un maillage adaptatif.
  Ce maillage doit être capable de se raffiner aux endroits sur-contraints (pour diminuer le volume modélisé par chaque noeud et augmenter ainsi la qualité de la simulation), et de se dé-raffiner aux endroits peu contraints (pour conserver un nombre de noeuds quasi constant, et donc garantir le temps de calcul de chaque pas de simulation).
  Nous proposons une structure de données de maillage tétraèdrique ainsi qu'un ensemble d'opérations de raffinement / dé-raffinement conservant la géométrie et la topologie du maillage.
  Nous présentons ensuite une étude préliminaire sur le maintien de l'état du modèle physique sous-jacent lors des opération d'adaptation du maillage, dans le cas du réseau masses/ressorts.
• iMAGIS : Rendu réaliste de l'aspect de surface: peau, reflets, action des instruments
  (Fabrice Neyret) cf. pages www de Fabrice Neyret à iMAGIS
  Au cours du stage de Raphael Heiss consacre a la visualisation realiste en temps reel du foie, nous nous sommes attache a trois aspects:
  • grain de la peau;
  • reflets de la source lumineuse;
  • trace des instruments (cauterisation, notament) a la surface.
  A noter que la motivation des 2 premiers aspects reside dans le fait que l'etirement de la texture et des reflets sont fortement porteurs d'information sur le relief de l'objet. Ces 3 aspects ont ete ramenes a 3 passes de rendu OpenGL, en ramenant chacun de ces cas a un traitement texturel:
  • le grain de la peau doit avoir une bonne definition meme au zoom. on utilise donc une texture repetitive, ce qui suppose de generer un motif de base (cyclique), et de le plaquer en minimisant les deformations. Le motif est genere a l'aide de diagrammes de Voronoi, la minimisation des deformations passe par une relaxation a base de ressorts.
  • les reflets peuvent se traiter par texture d'environnement; on met a jour une texture de reflet representant l'anneau de lumiere dont la taille depend de la distance et le flou depend de la rugosite de la surface.
  • la trace des instruments se fait dans le 3ieme etage de texture, qui est en bijection avec la surface. Le probleme consiste a determiner quelle zone de la texture est sous la souris et quelle est l'ampleur de la deformation texturelle a cet endroit, afin de dessiner une tache dans la texture telle qu'elle apparaisse reguliere une fois plaquee.
  La simulation tourne largement en temps reel sur Onyx2 Infinite Reality2. A noter que hormis la mise a jour de la texture de reflet, le programme fonctionne egalement en temps quasi-reel sur station O2.
• M3N/MOSTRA : Simulation numérique du foie : Modèle déformable de référence
  (Marina Vidrascu) transparents HTML ou PostScript
  L'objectif de MOSTRA-M3N dans le cadre de cette action est de construire un modèle de référence, aussi précis que possible. Les résultats obtenus à l'aide de ce modèle seront ensuite comparés à ceux obtenus par des modèles temps réel. Ce type de validation devrait assurer le réalisme du simulateur.
  Le modèle numérique choisi est l'élasticité non linéaire. Le foie est considéré incompressible. Le problème est résolu par une méthode de Newton avec continuation. Le foie est discrétisé en tétraèdres et les éléments finis P2P0 sont utilisés. Après validation de l'élément fini des simulations sur la géométrie réelle du foie ont été faites. Il est intéressant de voir que, malgré un maillage de taille moyenne, l'utilisation d'une méthode de décomposition de domaines permet des gains de temps considérables. Une difficulté essentielle consiste à avoir les bonnes caractéristiques des matériaux et des conditions aux limites correctes. La rencontre avec les chirurgiens permettra de progresser.

Perspectives pour 98-99

• SHARP
  - identification des paramètres du réseau masses/ressorts pour son comportement soit aussi proche que possible du modèle de référence
  - interfacage avec un périphérique haptique (PHANToM de Sensable Tec.)
  - étude des possibilités d'extrapolation des forces pour alimenter le retour d'effort à une fréquence suffisante alors que le modèle déformable tourne à une fréquence bien inférieure (ratio > 10)
  - étude du suivi de collision (possibilité de faire glisser l'outil sur l'organe)
• iMAGIS / objets déformables
  - Développement/optimisation d'une nouvelle méthode de calcul des dérivées des champs internes au matériau.
  - Validation de la méthode adaptative, évaluation du nombre maximal de particules pouvant être simulées en temps réel.
  - Comparaison avec les tests de M3N/MOSTRA
  - En gardant l'élasticité linéaire, autoriser les grands déplacements en déplaçant le repère où sont définies les positions initiales.
  - Visualisation de la surface, traitement des découpes.
• EPIDAURE
  - modèle masses/tenseur implémentant les lois de l'élasticité non-linéaire de St Venant-Kirchhoff
  - mise au point d'une coque pour simuler la capsule de Glisson.
  - masses/tenseurs (linéaire ou non, isotrope ou non) adaptatif
  
• M3N/MOSTRA
  - acquisition de données biomécanique en relation avec Renault
  - génération d'un jeu de données (effort, déformation) de référence.
  - étude comparative des modèles d'élasticité linéaire et non-linéaire pour la simulation du foie.
• SINUS/EPIDAURE
  - parallélisation du modèle masses/tenseurs,
  - définition d'un critère de qualité de la géométrie du maillage,
  - optimisation du positionnement des nouveaux sommets lors des opérations de raffinement / dé-raffinement du maillage,
  - optimisation géométrique du maillage par adaptations successives.
  - ajout de vaisseaux lors de la découpe.
• iMAGIS / rendu
  - détection optimisée des collisions entre l'outil et l'organe,
  - amélioration du calcul des coordonnées de texture à la surface du foie,
  - rendu de la découpe.

Vie de l'AISIM

• Réunion pleinière : Afin de pouvoir comparer les modèles créés par chaque équipe travaillant sur les objets déformables en temps réel entre eux et au modèle de référence construit par M3N/MOSTRA, afin de permettre l'intégration du rendu réaliste mis au point par iMAGIS, une 3ème réunion pleinière se tiendra au printemps 99. Les lieux et dates restent à préciser.
  La fin de l'Action Incitative SIMulation de chirurgie donnera lieux à une 4ème réunion pleinière en octobre 1999. Cette dernière réunion sera l'occasion de présenter au public les résultats des deux ans de travaux menés dans le cadre de l'AISIM. Cette réunion pourrait donner lieu à l'organisation d'un workshop sur la simulation de chirurgie endoscopique.
• Contacts bilatéraux : Nous souhaitons, pour l'année à venir, intensifier les contacts entre les différentes équipes participant à l'action incitative.
• Visite à l'IRCAD : Afin de permettre aux nouveaux arrivants au sein de l'action incitative (doctorant, stagiaire, etc.) de mieux appréhender notre objectif, nous souhaitons organiser une nouvelle visite à l'IRCAD.
• Budget : Compte tenu des points mentionnés ci-dessus, il nous paraît souhaitable d'augmenter la part mission (enveloppe 2) de notre budget.
  D'autre part, les travaux théoriques ayant bien avancés pendant cette année, nous souhaiterions proposer plus de stages qu'initialement prévu pour l'année à venir. Nous désirons donc une augmentation de notre budget personnel (enveloppe 1)
  Finalement, l'usage à montré que l'AISIM ne suscite pas, pour la plupart des équipes, de besoins de matériel. L'état des compte 98 montre qu'il n'y a eu aucune dépense de ce type. Nous demandons donc une baisse (suppression ?) de notre ligne budgétaire équipement (enveloppe 3).
  Le trésorier de l'AISIM, Hervé Delingette, se chargera donc de demander à la direction de l'INRIA les aménagements budgétaires suivants :
  - transfert du solde de l'enveloppe 3 (dotation 458) du budget 98 sur le budget 99.
  - sur le budget 99, répartition de l'enveloppe 3 sur les enveloppes 1 et 2.

Conclusions

Ces journées ont été l'occasion pour chacun de mieux comprendre les travaux réalisés dans les autres équipes. Il est intéressant de constater une certaine convergence entre les différentes approche de modélisation d'objets déformables multi-résolution (implémentation des lois de Hooke). De plus, ces journées ont permis de faire un pas supplémentaire vers la mise en commun de travaux (rendu, détection et suivi de collision, maillage adaptatif).
D'autre part, nous avons pu constater une fois encore l'importance, pour la compréhension du problème et pour l'élaboration des solutions à y apporter, des discussions entre les différents chercheurs impliqués et entre chercheurs et chirurgiens.
Fort de ces constatations nous avons décidé d'intensifier les contacts au sein de l'action incitative. Les grandes lignes du projet demeurent inchangées, à savoir : mise au point d'un modèle de référence par M3N/MOSTRA et de modèles temps réels par EPIDAURE, iMAGIS, SHARP et SINUS, puis évaluation des résultats.