Ce premier prototype d'un simulateur de chirurgie du rachis scoliotique en réalité virtuelle a été développé par Alexandre Plouznikoff, lors de ses études à la maîtrise à l'École Polytechnique de Montréal, sous la supervision du Prof. Ozell (département de génie informatique et de génie logiciel) et du Prof. Aubin (département de génie mécanique).

Le projet a débuté au début de l'été 2001, en collaboration avec le Centre de Recherche en Calcul Appliqué (CERCA) et le Laboratoire de Modélisation Biomédicale et de Chirurgie Assistée par Ordinateur (LMBCAO), situé à l'Hôpital Sainte-Justine de Montréal.

Avantages de recourir à un simulateur du point de vue du chirurgien

Étant donné que les résultats d'une chirurgie du rachis scoliotique varient grandement selon la configuration spatiale de la colonne vertébrale, la rigidité du patient et les décisions prisent par le chirurgien (implants, forces appliquées et technique utilisée), nous tentons de développer un outil qui permettra de tester facilement différentes manoeuvres chirurgicales de façon pré-opératoire pour identifier le traitement à adopter pour un patient donné.

De surcroit, ce simulateur permettra aux médecins résidents de se pratiquer avant de faire face à une chirurgie réelle, où ils seront appelés à travailler proche de la moelle épinière.

Recours à la réalité virtuelle

La réalité virtuelle, comparée aux ordinateurs traditionnels, permet d'obtenir un environnement plus réaliste du point de vue du chirurgien. Même si le coût de l'équipement est supérieur à celui d'un ordinateur conventionnel, il permet à l'utilisateur de contourner les écrans, souris et menus traditionnels pour accomplir les tâches désirées. Grâce à un simulateur en réalité virtuelle, le chirurgien peut s'immerger au centre d'une salle d'opérations virtuelle connue, manipuler des outils chirurgicaux familiers de ses propres mains et ressentir la force appliquée sur la colonne vertébrale du patient. Le réalisme n'émane pas seulement des graphiques 3D mais aussi des interactions et du retour d'informations qu'il est possible d'obtenir en réalité virtuelle, créant de ce fait une expérience quasi-réelle, ne requérant presque aucune formation particulière pour utiliser le logiciel.

La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale qui ne peut, actuellement, être prévenue ou traitée à l'aide de médicaments car ses causes sont encore peu comprises. Même si l'incidence de cette maladie est relativement faible au sein de la population mondiale et que les cas requérant un traitement chirurgical sont encore plus rares, les cas sévères peuvent être mortels et doivent être traités avant que de graves complications ne surviennent (ex. affaissement de la cage thoracique menant à l'asphyxie). Les traitements chirurgicaux actuels visant à corriger la scoliose essaient principalement de rectifier la courbure de la colonne vertébrale à l'aide de tiges, de crochets et de vis. Chaque vis est insérée au sein d'un pédicule d'une vertèbre, proche de la moelle épinière. Une tige est ensuite liée aux vis pour redonner à la colonne une configuration plus normale. Pour obtenir plus d'informations sur la scoliose, ses traitements et les recherches actuelles, visitez le site Internet de la Société de la Recherche sur la Scoliose (http://www.srs.org/).

Radiographie frontale d'une colonne scoliotique (pré-opération)	Radiographie frontale d'une colonne scoliotique (post-opération)

La CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) constitue sûrement l'environnement virtuel le plus avancé aujourd'hui. Comparée aux casques virtuels (Head Mounted Display), une CAVE est composée de quatre murs de 3 mètres par 3 mètres sur lesquels des images stéréoscopiques sont projetées, donnant ainsi une meilleure sensation d'immersion et permettant à l'utilisateur d'interagir plus intuitivement avec les objets en utilisant ses propres mains. La tête de l'utilisateur et ses mains sont repérées électromagnétiquement, permettant au logiciel de savoir avec quel objet l'utilisateur interagit et comment ajuster la perspective stéréoscopique sur chaque mur. L'École Polytechnique a fait l'acquisition d'une CAVE supportée par un Onyx 2 de SGI il y a presque trois ans (1998), faisant d'elle l'un des cinq premiers propriétaires de CAVE au Canada.

Périphériques utilisés en réalité virtuelle (de gauche à droite: lunettes filtrant les images stéréoscopiques destinées à chaque oeil, CyberTouch gérant les retours tactiles, CyberGrasp donnant une dimension matérielle aux objets et CyberForce gérant les retours d'efforts)

Le simulateur de chirurgie développé se base sur des fichiers graphiques détaillés pour représenter les différentes entités présentes dans la salle d'opération virtuelle et est composé de trois modules principaux.

Fichiers graphiques

Une salle d'opération de l'Hôpital Sainte-Justine de Montréal a été modélisée, incluant la table de chirurgie, le système d'éclairage, les armoires... Des modèles 3D des implants chirurgicaux nous ont été fournis par Medtronic Sofamor Danek, un des grands fabricants d'implants pour les chirurgies scoliotiques. Finalement, une reconstruction 3D de la colonne vertébrale d'un patient scoliotique a été fournie par l'Hôpital Sainte-Justine.

Rachis scoliotique d'un patient, reconstitué à partir de radiographies frontale et latérale	Implants Medtronic Sofamor Danek utilisés lors de l'instrumentation du rachis scoliotique

Module d'initialisation graphique (Terra)

Nous tentons de conserver tous les objets en format VRML (Virtual Reality Modeling Language), un standard dans le monde de la réalité virtuelle. Nous avons développé un parser VRML rudimentaire pour charger les modèles graphiques.

Module d'interactions (Phoenix)

Phoenix est le coeur du simulateur. Ce module d'interactions se base sur la CAVELib afin de récupérer la position des mains et de la tête de l'utilisateur et de générer les vues perspectives. Phoenix utilise, pour l'instant, une hiérarchie d'objets prédéfinie permettant des interactions utilisateur/objets et objets/objets. Il offre aussi des fonctions intelligentes de création/destruction d'objets et de génération de liens automatiques. Un moteur de gravité rudimentaire a aussi été implémenté pour recréer les lois physiques de base.

Phoenix fournit aussi différentes fonctionnalités supplémentaires pour aider à planifier une chirurgie comme des vues holographiques pour zoomer dans la région d'intérêt et une démultiplication automatique des mouvements pour augmenter la précision lors de l'insertion de vis au sein de pédicules.

Salle d'opération virtuelle dans la CAVE	Utilisateur insérant une vis pédiculaire

Module biomécanique

Le modèle biomécanique a été majoritairement développé par Valeri Goussev, chercheur au LMBCAO. Jusqu'à présent, les propriétés biomécaniques de la colonne ont été modélisées sous Matlab, selon un modèle mathématique non linéaire s'apparentant à un modèle multi-corps flexibles. Nous tentons de développer un modèle précis, mais aussi léger, afin de pouvoir le questionner en temps réel, pour obtenir les nouvelles positions et orientations des vertèbres lors de l'instrumentation. Une version préliminaire du module a été interfacée avec Phoenix pour que les interactions avec la colonne vertébrale obéissent aux réponses fournies par le modèle biomécanique.

Interrogation du modèle biomécanique Matlab lors de l'application d'une force correctrice sur la 8ième vertèbre thoracique (T8)

Retransmission des réponses du module biomécanique à la colonne vertébrale virtuelle, suite à l'application d'une force correctrice

• C-E. Aubin, V. Goussev et Y. Petit, "Biomechanical modelling of segmental instrumentation for surgical correction of 3D spinal deformities using Euler-Bernoulli thin-beam elastic deformation equations." Model. and Sim. in Biomedicine, 2004, vol. 42, num 2, pp. 216-221.
• A. Plouznikoff, "Simulateur de chirurgie d’instrumentation du rachis scoliotique en réalité virtuelle ", Mémoire de maîtrise recherche, département de génie biomédical, École Polytechnique de Montréal, Montréal, Canada, mai 2004, 152 pages.
• A. Plouznikoff, C-E. Aubin, B. Ozell et H. Labelle "Virtual Reality Scoliosis Surgery Simulator", dans Proceedings of the 5th International Research Society of Spinal Deformities (IRSSD’04), Vancouver, Canada, IOS Press, 10-12 juin 2004, pp. 139-142.