ORGANE HUMAIN OU ANIMAL

Domaine technique

La présente invention se rapporte au domaine technique général de la modélisation d'éléments anatomiques déformables ou rigides en trois dimensions.

Ces modélisations en 3D sont destinées à réaliser des modèles virtuels d'organes ou de parties d'organes dont le comportement sur un plan anatomique et biomécanique est réaliste et proche du comportement d'un organe réel.

La présente invention s'applique tout particulièrement, mais non exclusivement, à des organes déformables ou mous comme par exemple l'estomac, le foie, l'œsophage ou tout autre organe pour lequel intervient la chirurgie. La présente invention s'applique également à des organes rigides tels que les os.

La présente invention s'applique tout particulièrement, mais non exclusivement, à l'apprentissage de la prise de décisions opératoires et planification chirurgicale, par opposition à l'apprentissage de la gestuelle technique chirurgicale sur lequel se focalise les techniques connues, et permet de s'affranchir du recours à des matériels complexes et coûteux de réalité virtuelle, notamment les dispositifs de capture de mouvements 3D et de retour d'efforts. La présente invention permet également de délocaliser la ressource de calculs intensifs, permettant optionnellement de mutualiser les calculs sur des serveurs partagés et nécessiter uniquement un client tactile léger, de type tablette, à proximité de l'utilisateur.

Etat de la technique

II est connu par exemple, par l'intermédiaire du document US

2012/0178069, de concevoir une procédure chirurgicale apte à modifier la forme de la structure anatomique d'un patient. Une telle procédure consiste à insérer des implants et à déterminer la réponse de la structure anatomique en fonction des forces appliquées sur cette dernière. Cette procédure se base donc sur la détection de mouvements en 3D pour générer un modèle virtuel soumis à des forces de tension. Il s'agit de simuler la déformation d'un organe dur ou rigide d'un patient en réponse à l'insertion d'un implant appliquant une force de déformation audit organe.

Une telle modélisation est un cas très particulier qui n'est pas transposable aux diverses interventions sur des organes déformables. En outre, cette procédure se base spécifiquement sur la pose d'implants qui souvent ne sont retirés qu'au bout d'une période allant de 2 à 4 ans.

On connaît également, par l'intermédiaire du document « A new déformation model of biological tissue for surgery simulation » du Yanni zou et al, une modélisation de tissus biologiques mous. Cette modélisation concerne principalement la simulation de déformation des tissus biologiques et n'englobe pas une simulation prédictive de l'évolution morphologique d'un organe après une simulation d'intervention chirurgicale. En outre, cette modélisation ne permet pas d'analyser et d'évaluer les résultats d'une simulation d'intervention chirurgicale.

On connaît par ailleurs, par l'intermédiaire du document US 2014/0272863, une simulation chirurgicale, basée sur l'utilisation d'un ordinateur, ou autre moyen tactile pour piloter l'utilisation d'une instrumentation à des fins d'apprentissage de la gestuelle chirurgicale. Un tel apprentissage, tel que décrit, est complexe et coûteux dans la mesure où il est mis en œuvre avec une instrumentation 3D associée à un système de réalité virtuelle.

Les procédures connues présentent également d'autres inconvénients. En effet, les procédures connues ne permettent pas de simuler des découpes, des cassures ou autres actes modifiant de façon importante la structure de l'organe comme par exemple le prélèvement d'une partie dudit organe.

En outre, les procédures connues ne sont souvent pas conçues pour tenir compte du milieu ou de la structure environnante, par exemple une structure souple complexe, dans laquelle est intégré l'organe. Exposé de l'invention

L'objet de la présente invention vise à proposer une nouvelle méthode de simulation permettant de prédire l'évolution morphologique et/ou fonctionnelle d'un organe humain ou animal en réponse à un acte chirurgical déterminé.

Un autre objet de la présente invention vise à proposer une nouvelle méthode de simulation prédictive dont la mise en œuvre est extrêmement simple et permet, quasi en temps réel, de connaître l'évolution morphologique et/ou fonctionnelle d'un organe anatomique en réponse à un acte chirurgical déterminé.

Un autre objet de la présente invention vise à fournir un nouveau système de simulation prédictive particulièrement fiable, simple et économique.

Un autre objet de la présente invention vise à fournir un programme d'ordinateur susceptible d'exécuter une méthode de simulation prédictive et apte à être chargé sur des ressources informatiques standards.

Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide d'une méthode de simulation prédictive à l'aide d'un ordinateur, de l'évolution morphologique et/ou fonctionnelle d'un organe déformable ou rigide d'un sujet humain ou animal, ladite évolution résultant d'une intervention chirurgicale envisagée sur ledit organe, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes :

- a) construire un organe virtuel en 3D à partir d'ensemble initial de données comprenant des données biomécaniques et des estimations biométriques correspondant à un organe de référence,

- b) afficher l'organe virtuel en 3D sur un outil d'affichage,

- c) choisir une représentation de l'organe virtuel, correspondant à vue externe, en coupe ou selon une perspective déterminée par l'utilisateur et afficher ladite représentation sur l'outil d'affichage interactif,

- d) définir les paramètres d'au moins une action chirurgicale à envisager sur l'organe déformable ou rigide et transformer ladite action chirurgicale en données biomécaniques complémentaires,

- e) reporter l'action chirurgicale sur l'organe virtuel affiché grâce à une interaction directe avec l'outil d'affichage,

- f) modifier l'ensemble initial de données, impacté par l'action chirurgicale pour constituer un ensemble final de données, lequel comprend au moins en partie des données biomécaniques et des estimations biométriques modifiées,

- g) construire l'organe virtuel modifié à partir de l'ensemble final de données, et

- h) afficher l'organe virtuel modifié sur l'outil d'affichage et fournir ainsi des informations pour évaluer la pertinence de l'intervention chirurgicale envisagée.

Selon un exemple de mise en œuvre, la méthode conforme à l'invention comprend une étape i) selon laquelle on interprète les résultats obtenus sous h) pour identifier par l'intermédiaire d'au moins un algorithme et d'un ou plusieurs paramètres biomécaniques se rapportant à l'organe virtuel, modifiant le fonctionnement de l'organe déformable ou rigide et afficher sur l'outil d'affichage une alerte et/ou mesure correspondante. Il peut s'agir à titre d'exemple, de soumettre l'organe virtuel modifié à des événements physiologiques simulés (tels que gonflements, écoulements) pour solliciter la résistance des tissus modifiés et valider leur caractère fonctionnel du point de vue biomécanique.

Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, l'étape d) consiste à définir par l'intermédiaire de paramètres la nature de l'action chirurgicale, par exemple sa localisation sur ou dans l'organe déformable ou rigide.

Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, l'étape d) comprend un choix d'une action chirurgicale, un choix d'un instrument chirurgical parmi un ensemble d'instruments prédéfinis, un choix d'un autre instrument non encore utilisé pour une telle action chirurgicale, un choix de modification d'un instrument existant ou un choix de conception d'un nouvel instrument.

Selon un exemple de mise en œuvre, la méthode conforme à l'invention consiste à mettre en œuvre plusieurs fois de manière successive les étapes b) à h) sur le même modèle d'organe. Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, l'étape h) consiste à afficher l'organe virtuel modifié selon des vues particulières, en coupe ou externes ou en perspective, notamment en le faisant tourner autour de divers axes librement choisis.

Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, les données biomécaniques et les estimations biométriques sont utilisées pour modéliser virtuellement la forme et le fonctionnement dynamique de l'organe déformable ou rigide.

Selon un exemple de mise en œuvre, la méthode conforme à l'invention consiste à utiliser un gradient de couleurs pour afficher des zones de l'organe soumises à des forces de tension différentes, lorsque ledit organe virtuel est par exemple dilaté, contracté, étiré ou compressé.

Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, les données biomécaniques et les estimations biométriques comprennent des données relatives à des tissus et/ou à des organes liés structurellement et/ou fonctionnellement à l'organe déformable ou rigide.

Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, les données biomécaniques et les estimations biométriques comprennent au moins en partie des données réelles du sujet, provenant d'une technique d'imagerie médicale.

Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, une étape de simulation inverse est utilisée pour déterminer la forme au repos et/ou certains paramètres biomécanique à partir d'un ou plusieurs ensembles de données réelles mesurées ou calculées de l'organe du sujet.

Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode, on utilise au moins un algorithme d'apprentissage automatique pour obtenir une simulation prédictive palliant un manque d'informations et de mesures ou données se rapportant aux organes d'un patient donné.

Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, l'intervention chirurgicale comprend un ou plusieurs des actes chirurgicaux choisis parmi l'incision, la découpe, l'ablation, l'agrafage, la suture, la brûlure, le grattage et la dislocation par injection. Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, certaines modifications structurelles de l'intervention chirurgicales sont modélisées à l'aide d'une discrétisation plus fine que la discrétisation utilisée pour la biomécanique.

Selon un exemple de mise en œuvre de la méthode conforme à l'invention, l'outil d'affichage est un outil interactif ou une interface tactile du genre tablette.

Selon un exemple de mise en œuvre, la méthode comprend l'enregistrement de l'organe virtuel modifié dans une base de données de l'ordinateur dans un format apte à un affichage ultérieur et/ou apte à une transmission et affichage sur un autre ordinateur à des fins d'évaluation et/ou de comparaison avec d'autres résultats de simulations.

Les objets assignés à l'invention sont également atteints à l'aide d'un système de simulation prédictive de la modification d'un organe déformable ou rigide, pour mettre en œuvre une méthode de simulation décrite ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend :

un ordinateur associé à ou comportant un outil d'affichage interactif 2D permettant d'effectuer des requêtes, et d'afficher un organe virtuel en 3D,

- un serveur comportant au moins un microprocesseur,

une liaison de communication sécurisée entre ledit serveur et ledit ordinateur,

au moins une base de données associée ou intégrée au serveur et comportant l'ensemble des données nécessaires à la mise en œuvre de la méthode de simulation,

au moins un programme d'ordinateur chargé dans une mémoire du serveur, lu par un microprocesseur associé à la mémoire, pour piloter les fonctionnalités dudit système de simulation, exécuter les étapes de ladite méthode de simulation et identifier par l'intermédiaire d'au moins un algorithme spécifique un ou plusieurs paramètres biomécaniques de l'organe virtuel, modifiant la forme et/ou le fonctionnement de l'organe déformable ou rigide.

Les objets assignés à l'invention sont atteints également à l'aide d'un système de simulation prédictive de la modification d'un organe déformable ou rigide, pour mettre en œuvre une méthode de simulation décrite ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend :

- un ordinateur comportant au moins un microprocesseur associé à ou comportant un outil d'affichage interactif 2D permettant d'effectuer des requêtes, et d'afficher un organe virtuel en 3D,

- au moins une base de données associée ou intégrée au serveur et comportant l'ensemble des données nécessaires à la mise en œuvre de la méthode de simulation,

- au moins un programme d'ordinateur chargé dans une mémoire de l'ordinateur, lu par un microprocesseur associé à la mémoire, pour piloter les fonctionnalités dudit système de simulation, exécuter les étapes de ladite méthode de simulation et identifier par l'intermédiaire d'au moins un algorithme spécifique un ou plusieurs paramètres biomécaniques de l'organe virtuel, modifiant la forme et/ou le fonctionnement de l'organe déformable ou rigide.

Dans un tel exemple de réalisation, l'ordinateur utilisé pour l'affichage exécute aussi les fonctionnalités normalement attribués et déportés sur un serveur. Ce dernier devient inutile. Une telle conception alternative permet de s'affranchir de contraintes liées aux transferts de données patients, notamment à la confidentialité. Aucune communication sécurisée n'est alors nécessaire.

Les objets assignés à l'invention sont atteints également à l'aide d'un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme enregistrées sur un support lisible par ordinateur pour mettre en œuvre les étapes de la méthode présentée ci-dessus, lorsque ledit programme fonctionne sur un ordinateur.

A titre d'exemple, le programme d'ordinateur apte à être chargé directement dans une zone mémoire d'un ordinateur comportant un microprocesseur associé à la mémoire pour lire et exécuter sur l'ordinateur ledit programme, lequel comprend des instructions pour exécuter les étapes d'une méthode de simulation prédictive décrite ci-dessus et identifier par l'intermédiaire d'au moins un algorithme spécifique un ou plusieurs paramètres biomécaniques d'un organe virtuel, modifiant la forme et/ou le fonctionnement de l'organe déformable ou rigide correspondant.

Dans le cadre de la présente invention, il convient d'entendre par le terme organe, tout élément anatomique, tout organe humain ou animal ou une partie d'organe, tel qu'un organe plein, un organe creux, un organe mou, un organe pouvant contenir des tissus mous et/ou des parties rigides, un os, des tissus ou une combinaison d'éléments incluant des systèmes contenant des fluides. A titre d'exemples, on peut citer l'estomac, le pancréas, le cœur, un lobe de cerveau, le radius, l'articulation de l'épaule, une main ou l'appareil digestif. A titre de simplification de la présentation et de la description de l'invention, on utilisera dans la suite le terme organe.

Dans le cadre de la présente invention, l'acte chirurgical doit être compris comme comprenant une ou plusieurs actions chirurgicales unitaires. L'action chirurgicale est au sens large, une action modificatrice de l'organe. L'action chirurgicale peut par exemple consister à insérer un dispositif médical dans un organe.

L'action chirurgicale peut aussi résulter de l'action qu'exerce directement le chirurgien sur l'organe et/ou de l'action sur l'organe exercée par un dispositif médical ou un implant, une fois inséré dans ledit organe. L'action chirurgicale peut être provoquée directement par l'utilisateur, comme par exemple une pression ou un étirement dont il va définir les paramètres. L'action chirurgicale peut aussi être provoquée indirectement par l'utilisateur via un objet tiers qu'il manipule et qui entre en contact avec l'élément anatomique, comme par exemple l'insertion d'un trocart à travers la paroi de l'estomac. L'action chirurgicale peut aussi être provoquée directement par l'insertion d'un dispositif médical, modulable ou non, dans la simulation. Il s'agit par exemple du gonflement d'un ballon gastrique inséré dans l'estomac. Ce dernier va ainsi gonfler de l'intérieur au fur et à mesure que le volume de ce dispositif médical augmente. Il peut s'agir aussi d'un anneau gastrique qui va contraindre la forme de l'estomac.

Une combinaison de plusieurs actions unitaires peut aussi constituer tout ou partie d'une procédure chirurgicale appelée acte chirurgical dans la présente. L'organe de référence est défini comme étant un organe virtuel présentant une géométrie spécifique simulée par calcul à partir de données biomécaniques de référence. Cet organe de référence est donc construit au préalable à l'aide de ces données biomécaniques de référence. Ces dernières se rapportent par exemple à des données mesurées sur organe réel humain ou animal ou à une agrégation de données biomécaniques provenant de divers organes virtuels et/ou d'organes réels de divers sujets humains ou animaux.

La définition de l'acte chirurgical consiste à choisir une action chirurgicale, par exemple une incision, à choisir un instrument spécifique pour réaliser ladite action, à choisir la localisation de l'action sur ou dans l'organe virtuel à l'aide de l'outil d'affichage.

Selon un mode de mise en œuvre, la méthode de simulation prédictive conforme à l'invention permet de choisir un instrument chirurgical prédéfini pour une action chirurgicale donnée. L'acte chirurgical peut aussi comprendre une succession d'actions chirurgicales mises en œuvres les unes après les autres.

Selon un autre mode de mise en œuvre, la méthode de simulation conforme à l'invention permet de choisir pour ladite action chirurgicale, un autre instrument chirurgical, de modifier un instrument chirurgical existant ou de concevoir un nouvel instrument chirurgical.

Le système de simulation conforme à l'invention permet grâce à des gestes simples par exemple sur une interface tactile, de simuler différents types de découpes, sutures et autres modifications structurelles sur un organe modélisé. Grâce à la méthode de simulation conforme à l'invention, les modèles d'organes virtuels réagissent sur un plan biomécanique, de façon réaliste en réponse à des actes chirurgicaux simulés sur l'interface tactile. Ces actes simulés sur l'organe virtuel sont par exemple des incisions, des déformations, des compressions, et/ou des interactions avec d'éventuels organes ou tissus environnants.

La méthode de simulation conforme à l'invention permet de réaliser une prédiction réaliste de l'évolution d'un organe virtuel en réponse à un acte chirurgical. La méthode de simulation prédictive permet ainsi d'observer l'impact de modifications liées à des actes chirurgicaux sur des organes virtuels et ce de façon réaliste par exemple au préalable d'une intervention sur le patient. Une telle simulation prédictive présente donc l'énorme avantage d'afficher des résultats très proches de ceux qui seront observés sur un organe réel d'un vrai patient, consécutivement à l'acte chirurgical.

Un autre avantage remarquable de la présente invention réside dans l'optimisation de la planification des opérations par exemple suite à la détection d'un cancer. L'invention peut ainsi être utilisée, par exemple en chirurgie gastrique, pour préparer des interventions d'exérèse de tumeurs ou en chirurgie bariatrique. La méthode de simulation conforme à l'invention permet ainsi d'assister le chirurgien dans la détermination du mode d'intervention le plus adapté au patient.

En outre, l'interactivité entre l'utilisateur et l'outil d'affichage de la méthode de simulation prédictive conforme à l'invention permet de dessiner sur l'organe virtuel, par exemple avec un doigt, une incision ou une suture selon un tracé libre non prédéfini. Il est donc possible de simuler une incision ou une suture en ne suivant pas un tracé prédéfini. Le choix d'une incision ou d'une découpe selon un tracé optimisé est ainsi possible.

L'utilisateur dispose ainsi d'un outil puissant lui permettant de simuler un nombre illimité de variantes d'exécution d'actes chirurgicaux et notamment de tracés d'incision ou de découpe dans un organe.

La méthode de simulation prédictive conforme à l'invention permet avantageusement de transformer le ou les mouvements du doigt sur l'outil d'affichage interactif (ou d'un autre élément permettant d'interagir avec cet outil d'affichage, comme un stylet par exemple) en un acte chirurgical virtuel sur un organe virtuel.

Un autre avantage de la méthode de simulation prédictive conforme à l'invention, réside dans une visualisation sur l'organe virtuel en temps quasi réel, de déformations résultant de l'acte chirurgical simulé.

Des applications immédiates sont nombreuses, par exemple sur l'estomac pour optimiser les chirurgies liées aux cancers de l'estomac, sur l'œsophage pour traiter des cancers de l'œsophage, et pour traiter l'obésité. La méthode et le système de simulation conformes à l'invention sont particulièrement avantageux dans la mesure où ils permettent de simuler différents types de découpes, de sutures et autres interactions impactant la structure et le fonctionnement dynamique d'un organe réel. Le clone de cet organe, à savoir l'organe virtuel en 3D, est donc utilisé pour tester et valider différentes hypothèses préopératoires afin de limiter les risques de complications ultérieures pour le patient.

Un autre avantage du système de simulation prédictive conforme à l'invention réside dans la mise en œuvre de la méthode de simulation à distance du serveur grâce à une liaison de communication. Cette dernière permet ainsi aux chirurgiens disposant par exemple d'une tablette tactile interactive de simuler, en fonction de l'acte chirurgical envisagé, l'évolution morphologique et/ou fonctionnelle d'un organe indépendamment de leur localisation géographique. Ainsi, une simple tablette tactile peut remplacer une instrumentation 3D complexe et coûteuse.

Le système de simulation prédictive conforme à l'invention présente également l'énorme avantage de ne pas nécessiter, contrairement à des simulateurs d'apprentissage, des résultats instantanés, notamment lorsqu'un retour de force doit être pris en compte. Le système de simulation conforme à l'invention met en œuvre une méthode dans laquelle les informations et/ou les résultats de la simulation sont disponibles et par exemple affichés avec des délais liés aux durées des opérations de calcul et aux durées des transmissions d'informations entre le serveur et l'outil d'affichage interactif. Ces délais pouvant atteindre quelques secondes ne sont pas pénalisant et permettent d'utiliser des moyens techniques présentant des performances standards. Ceci permet de limiter les coûts de conception et d'acquisition du système de simulation conforme à l'invention.

Un autre avantage non négligeable de la méthode de simulation conforme à l'invention réside dans la possibilité d'émettre une alerte, si un acte chirurgical envisagé risque de provoquer une modification majeure, notamment une altération morphologique ou fonctionnelle d'un organe.

Un autre avantage du système de simulation conforme à l'invention réside dans la possibilité pour le chirurgien d'afficher l'organe virtuel modélisé selon différentes représentations ou vues à savoir des vues externes, des vues en agrandi, des vues internes, des coupes ou des vues en perspective de l'organe virtuel. Ce dernier peut avantageusement être tourné suivant différents axes choisis librement par l'utilisateur, lui permettant de disposer de la meilleure vue possible afin de déceler d'éventuelles anomalies morphologiques.

Un autre avantage remarquable du système de simulation conforme à l'invention, réside dans la possibilité pour le chirurgien de visualiser les stress et tensions mécaniques sur l'organe virtuel avant et après l'acte chirurgical. Ainsi, il peut détecter sur l'organe virtuel, lequel a subi l'acte chirurgical simulé, des risques de tensions mécaniques anormales, comme par exemple des risques de fuites liées à un écartement d'agrafes, et/ou des déformations préjudiciable au bon fonctionnement de l'organe.

Un autre avantage remarquable de la méthode de simulation prédictive conforme à l'invention, réside dans la possibilité de tester des procédures chirurgicales nouvelles, voire originales, sur un organe virtuel, et d'évaluer leur fiabilité.

La méthode et le système conformes à l'invention permettent ainsi au chirurgien d'éprouver le résultat de la simulation et d'évaluer sa qualité. Cela constitue par conséquent et de façon remarquable, une aide précieuse à la prise de décisions opératoires et la planification chirurgicale pour le chirurgien et non un simple apprentissage de la gestuelle technique de la chirurgie comme cela est généralement le cas pour les méthodes et systèmes connus.

Un autre avantage important de la méthode conforme à l'invention, réside dans un auto-apprentissage ou auto-évaluation de la part du chirurgien des actes chirurgicaux et ce par l'observation des résultats et conséquences liés à sa décision opératoire. L'invention permet une approche pédagogique réflexive pour amener l'utilisateur, par la pratique simulée, vers la meilleure stratégie opératoire pour un patient spécifique. Cela constitue une nouvelle approche d'enseignement du raisonnement clinique.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans lesquels:

- la figure 1 , est un organigramme schématique simplifié illustrant la méthode et le système de simulation conformes à l'invention,

- la figure 2, est une illustration schématique d'un exemple d'organe virtuel affiché sur un outil d'affichage interactif sur lequel intervient un chirurgien pour simuler un acte chirurgical selon la méthode de simulation conforme à l'invention,

- la figure 3, illustre l'organe virtuel de la figure 2 sur lequel a été rapporté via l'outil d'affichage interactif, un exemple d'acte chirurgical,

- la figure 4, illustre l'organe virtuel de la figure 3, affiché sur l'outil d'affichage interactif et sur lequel ont été positionnés des points et des lignes de sutures selon la méthode de simulation conforme à l'invention,

- la figure 5, illustre l'organe virtuel modifié, affiché sur l'outil d'affichage interactif et résultant de l'impact de l'acte chirurgical simulé aux figures 3 et 4, et

- la figure 6, illustre une simulation d'un autre exemple d'organe virtuel simulé à l'aide de la méthode et du système de simulation conformes à l'invention.

Exposé détaillé de l'invention

Les éléments structurellement et fonctionnellement identiques et présents sur plusieurs figures distinctes, sont affectés d'une même référence numérique ou alphanumérique.

La figure 1 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un système de simulation conforme à l'invention. Le système conforme à l'invention permet d'effectuer une simulation prédictive de la modification d'un organe déformable ou rigide et comprend un serveur S et un ordinateur associé comportant un outil d'affichage AI interactif. Le serveur S communique avec l'outil d'affichage AI par l'intermédiaire d'une liaison de communication C, de préférence sécurisée, par tous moyens connus.

Selon un autre exemple de réalisation, le système de simulation conforme à l'invention peut aussi rassembler tous les éléments sur un même ordinateur, notamment pour les situations ou la transmission des données est limitée pour des raisons de réglementation. Dans ce cas, tous les calculs sont réalisés sur l'ordinateur contrôlant l'outil d'affichage AI, qui est confondu avec le serveur S, sans faire intervenir de liaison de communication. Dans cet exemple, l'ordinateur choisi doit disposer d'un microprocesseur suffisamment puissant.

Dans l'exemple de réalisation illustré à la figure 1, trois bases de données Dl, D2 et D3 sont intégrées ou associées au serveur S. Ces bases de données Dl, D2 D3 comportent l'ensemble des données nécessaires à la mise en œuvre de méthode de simulation.

À titre d'exemple, la base de données Dl comporte des données biomécaniques et des estimations biométriques se rapportant à un organe de référence qu'il convient de modéliser.

La base de données Dl peut comporter par ailleurs des données relatives à un organe anatomique réel de référence, se rapprochant tant morphologiquement que fonctionnellement à un organe d'un patient. Il peut s'agir par exemple, d'un organe animal, par exemple provenant d'un porc notamment pour ce qui concerne l'estomac. Il peut s'agir également d'un cerveau humain standard ou de modèles 3D standards reconstitués à partir de données d'imageries d'une personne anonyme. Il peut s'agir aussi de parties d'appareil génital provenant de primates, sachant que les anatomies des grands singes et des hommes sont similaires.

A titre d'exemple, la base de données Dl peut comporter par exemple des données relatives à la vessie dans la mesure où cet organe est similaire entre l'homme et certains animaux.

Une autre base de données D2 comporte des données se rapportant par exemple à diverses descriptions d'actes chirurgicaux envisageables sur l'organe.

Une base de données optionnelle D3 comporte par exemple des données biomécaniques et/ou biométriques se rapportant directement à l'organe réel d'un patient. Les données spécifiques à ce patient sont par exemple obtenues par toutes techniques d'imagerie médicale. Le système de simulation comprend également un programme d'ordinateur P chargé dans une mémoire sur le serveur S. Cette mémoire est destinée à être lue par un microprocesseur de ce même serveur de manière à piloter les fonctionnalités dudit système de simulation. Le programme d'ordinateur P permet ainsi d'exécuter les étapes d'une méthode de simulation et d'identifier par l'intermédiaire d'au moins un algorithme, un ou plusieurs paramètres biomécaniques de l'organe virtuel altérant le fonctionnement statique ou dynamique de l'organe anatomique déformable ou rigide du patient.

Le programme d'ordinateur P comporte à cet effet un ou plusieurs algorithmes adéquats pour créer l'organe de référence, modéliser la biomécanique, les interactions et notamment les modifications structurelles, et fournir une infrastructure efficace pour exécuter les calculs nécessaires pour obtenir un résultat en quelques secondes, par exemple en utilisant des méthodes de parallélisation.

Une telle altération est avantageusement visualisée par ailleurs sur l'outil d'affichage. Ce dernier est de préférence un outil d'affichage interactif permettant à son utilisateur de faire des requêtes se basant sur l'acte chirurgical à réaliser. L'outil d'affichage interactif AI est de préférence une tablette tactile 2D.

Selon un autre exemple de réalisation du système de simulation conforme à l'invention, l'outil d'affichage est un autre dispositif de simulation interactive instantanée, par exemple un écran 3D auto-stéréoscopique, un dispositif de réalité virtuelle ou de réalité augmentée, ou un dispositif avec des capteurs de mouvement 3D.

L'affichage de l'organe virtuel après l'exécution de l'acte chirurgical, simulé sur ledit organe virtuel, est donc avantageusement complété le cas échéant par une information de modification, par exemple d'altération, calculée par un ou plusieurs algorithmes adéquats.

Cette information modificatrice peut par exemple être présentée sous forme de paramètre quantifié ou de valeur par rapport à un seuil ou par exemple sous forme d'une coloration spécifique et localisée sur l'organe virtuel.

Un exemple de mise en œuvre de la méthode de simulation prédictive, est illustré à l'aide des figures 2 à 5. La méthode de simulation prédictive conforme à l'invention, consiste selon une étape a), à construire un organe virtuel 1 en 3D à partir d'un ensemble initial de données comprenant des données biomécaniques et des estimations biométriques correspondant à un organe de référence. On pourra se reporter par exemple à la figure 2.

La méthode de simulation prédictive consiste ensuite, selon une étape b), à afficher l'organe virtuel 1 en 3D sur un outil d'affichage interactif AI.

La méthode de simulation prédictive consiste ensuite, selon une étape c), à choisir une représentation de l'organe virtuel 1, correspondant à une vue externe en 3D. Alternativement, la méthode conforme à l'invention permet à l'utilisateur de choisir librement une autre vue, par exemple en coupe ou selon une perspective déterminée et afficher ladite représentation sur l'outil d'affichage interactif, ou selon un angle de vue statique ou animé de manière à simuler une vue opératoire fidèle à celle d'un chirurgien intervenant sur un patient réel.

La méthode de simulation prédictive consiste ensuite, selon une étape d), à définir, via des paramètres modifiables, au moins une action chirurgicale à envisager sur l'organe déformable ou rigide et transformer ladite action chirurgicale en données biomécaniques complémentaires. Un fois définis par l'utilisateur, ces paramètres sont donc transformés en données biomécaniques complémentaires par l'intermédiaire d'algorithmes. Ces derniers calculent ainsi les évolutions de données biomécaniques initiales sous l'action de ces données biomécaniques complémentaires et génèrent ainsi une simulation affichable.

Les paramètres se rapportant à l'action chirurgicale peuvent comprendre des propriétés mécaniques d'un instrument. Pour un acte de découpe, il peut s'agir de l'épaisseur d'une lame d'incision, ou de la longueur de ciseaux, pinces, ou agrafeuse. Ces paramètres peuvent aussi inclure des informations quant à l'angle d'incision, la profondeur d'incision, ou le type et l'écartement d'agrafes posées, ou autres.

La méthode de simulation prédictive consiste ensuite, selon une étape e), à reporter l'acte chirurgical sur l'organe virtuel affiché grâce à une interaction directe avec l'outil d'affichage interactif AI, par exemple à l'aide d'un stylet 2 ou d'un doigt. A titre d'exemple, la figure 2 illustre le stylet 2 effectuant un tracé 3 d'incision sur l'organe virtuel 1.

La figure 3 illustre un exemple de tracé 3 permettant de réaliser une découpe 4 dans l'organe virtuel 1.

La figure 4 illustre l'organe virtuel de la figure 3 sur lequel ont été rapporté une ligne de suture 5 et des points de suture 6 correspondants. A titre d'exemple, l'utilisateur procède au paramétrage de l'action en plusieurs étapes. Il s'agit d'abord de définir le nombre total de points de suture 6 constituant la suture complète. Ces points peuvent être positionnés manuellement un par un, ou automatiquement générés par rapport à une ligne de suture définie préalablement. II s'agit ensuite de choisir la façon dont sont reliés les points de suture 6, à savoir des lignes indépendantes reliant les points de suture deux par deux, ou une ligne continue. Puis il s'agit de définir la force de traction appliquée entre les deux points. Enfin, il s'agit de déclencher la réalisation de l'action ainsi paramétrée à l'aide du programme d'ordinateur et de réafficher l'organe virtuel avec sa nouvelle morphologie.

La méthode de simulation prédictive consiste ensuite, selon une étape f), à modifier l'ensemble initial de données Dl et D2, impacté par l'acte chirurgical pour constituer un ensemble final de données, lequel comprend au moins en partie des données biomécaniques et des estimations biométriques modifiées. Cette étape peut être extrêmement coûteuse en calculs nécessaires.

En effet, pour obtenir des résultats prédictifs, il est nécessaire de se reposer par exemple sur des approches de type mécanique des milieux continus discrétisés selon la méthode des éléments finis. Pour avoir la capacité de simuler des modifications de morphologies (par exemple des découpes, résections, jonctions, déchirements, brûlures, agrafes, sutures), il est nécessaire de se reposer sur une méthode de modification dynamique des topologies (« remaillage »). Enfin, pour fournir un retour perçu comme interactif à l'utilisateur, ces méthodes doivent pouvoir effectuer l'ensemble des calculs nécessaires en quelques secondes et de préférence plusieurs fois par seconde, pour fournir des résultats donnant l'impression de mouvements.

La méthode de simulation prédictive consiste ensuite, selon une étape g), à construire quasi en temps réel l'organe virtuel 1, modifié à partir de l'ensemble final de données.

La méthode de simulation prédictive consiste ensuite, selon une étape h), à afficher l'organe virtuel 1 modifié sur l'outil d'affichage interactif AI. On pourra se reporter à la figure 5. Cette dernière illustre l'organe virtuel 1 présentant notamment une modification de forme de l'organe liée à une ligne de cicatrice 7 résultant notamment d'une suture. Cette déformation est par exemple liée aux paramètres de l'action de suture que l'utilisateur a déterminés. Il peut s'agir par exemple du nombre et de l'écartement des points de suture, des forces de tension, de la suture liant les points deux à deux ou tous ensemble.

La méthode de simulation prédictive peut consister également, selon une étape i) à interpréter les résultats obtenus sous h) pour identifier par l'intermédiaire d'au moins un algorithme un ou plusieurs paramètres biomécaniques se rapportant à l'organe virtuel, modifiant le fonctionnement de l'organe déformable ou rigide et afficher sur l'outil d'affichage interactif AI, une alerte correspondante. Un défaut dans l'agencement des points de suture 6 entraînant une fuite au niveau de la suture, par exemple pour une anastomose dans le cas de suture de deux organes différents, peut ainsi être identifiée et rectifiée.

La méthode de simulation prédictive consiste, selon l'étape h), à afficher l'organe virtuel 1 modifié selon une vue en perspective, illustrée notamment à la figure 5.

Le procédé conforme à l'invention peut être utilisé pour réaliser une simulation prédictive de diverses actions chirurgicales. Ce procédé peut être effectué sur une grande variété d'organes ou de parties d'organes. Ainsi, le procédé peut concerner un clippage d'anévrisme consistant à poser un clip au collet d'un anévrisme. Le procédé peut concerner également la chirurgie reconstructrice du sein, en effectuant un choix de combiner le fait d'enlever de la matière avec ou sans pose d'un implant.

Le procédé peut concerner également une ablation dans le cadre de cancers de l'utérus. Différentes variations dans les possibilités d'exérèse peuvent alors être simulées.

Le procédé peut aussi concerner l'incontinence urinaire. Cette dernière peut résulter d'une faiblesse des muscles du périnée chargés de soutenir la vessie et l'urètre ou d'une faiblesse du sphincter de l'urètre.

La figure 6 permet d'illustrer un acte chirurgical permettant de remédier à cette incontinence urinaire en visualisant par exemple une simulation de l'agencement entre un bassin 10, une vessie 11 et un urètre 12.

Une action chirurgicale consiste à positionner sous l'urètre 12, une bandelette 13 en matière synthétique. Cette bandelette 13 positionnée sous l'urètre 12 permet de le soutenir lors d'efforts afin d'empêcher des fuites. Le procédé conforme à l'invention concerne donc également la pose d'implants.

Le procédé conforme à l'invention concerne donc un acte chirurgical comprenant les phases suivantes :

modéliser l'os du bassin 10 et la vessie 11 et choisir l'affichage correspondant,

choisir un type de bandelette 13 ou paramétrer librement un exemple de bandelette 13, notamment en choisissant sa longueur, sa largeur, son épaisseur, sa rigidité,

insérer et positionner la bandelette 13 dans le modèle virtuel 3D de l'os du bassin 10 et de la vessie 11, et ce sans déformation d'un organe ou d'une partie d'organe,

valider le positionnement de la bandelette 13 pour déclencher le calcul de déformations liées aux paramètres de positionnement, de rigidité et de tension de la bandelette 13,

afficher le résultat de la simulation, à savoir l'action de la bandelette 13 pour déformer la vessie et/ou l'urètre 12 en fonction de paramètres liés à des contraintes du genre points fixes sur l'os du bassin et points d'appui de la vessie 11.

Le précédé conforme à l'invention permet ainsi de vérifier sur l'outil d'affichage si le positionnement et la tension appliquée à la bandelette 13 permet d'éviter des fuites au niveau de l'urètre 12 lors d'efforts, ou lors d'un remplissage de la vessie 11.

La présente invention permet également de simuler une variation de volume des modèles d'organes creux.

La méthode et le système de simulation, selon un exemple de mise en œuvre et de réalisation conformes à l'invention se basent par conséquent sur diverses composantes techniques à savoir une infrastructure de communication, une infrastructure de calcul, une biomécanique, des interactions, et une visualisation.

A titre d'exemple, l'infrastructure de communication se rapporte à un couplage entre l'utilisateur (médecin ou chirurgien) et le serveur S pour la portabilité du système de simulation.

Ce couplage comprend :

- Du côté du serveur S, dans le cas où celui-ci ne contrôle pas directement l'outil d'affichage AI :

• Un serveur http pour gérer les connexions des clients,

• Un protocole de communication par « WebSocket » (connu en tant que tel et décrit sous https://tools.ietf.org/html/rfc6455), et

• Une encapsulation des données en un format mixe texte et binaire, proche du « glTF » (connu en tant que tel et décrit sous https://www.khronos.org/gltf)

- Et du côté de l'utilisateur :

• Une interface web pour sa portabilité (pc, téléphone, tablette) et simplicité,

· Un traitement des données en javascript,

• Un outil d'affichage du rendu grâce à la librairie 3D « three.js » (connu en tant que tel et décrit sous https://threejs.org/), et

• Une interface homme machine modulable formatée avec le « framework de front-end Foundation » connu en tant que tel et décrit sous https://foundation.zurb.com/).

A titre d'exemple, l'infrastructure de calcul se rapporte à :

- Un support d'exécution de calculs hautes performance, adapté à l'architecture matérielle choisie, tels que :

• Pour les microprocesseurs « CPU » multi-cœurs, un mécanisme de découpage en tâches de calcul courtes et ordonnancement de l'exécution de ces tâches, tel que « Intel TBB » ou « ISPC » (connus en tant que tels et décrits sous https://www.threadingbuildingblocks.org/ et https ://ispc.github .io/),

• Pour les microprocesseurs « GPU », un outil de traitement parallèle tel que « NVIDIA CUDA » (connus en tant que tels et décrits sous http://www.nvidia.fr/object/cuda-parallel- computing-fr.html (FR) et https://developer.nvidia.com/about- cuda (EN)).

- Un ensemble d'algorithmes, compatible avec le support d'exécution ci-dessus, permettant la résolution numérique d'équations différentielles, par exemple tels que fourni avec le « framework Sofa » (connu en tant que tel et décrit sous https://www.sofa-framework.org/), comprenant :

• Un schéma d'intégration numérique grâce par exemple à la méthode d'Euler implicite,

• La résolution de systèmes d'équations linéaires grâce par exemple aux méthodes du gradient conjugué ou de décomposition de Cholesky « LDL »,

• La résolution de problèmes d'optimisation sous contraintes grâce par exemple à l'algorithme de Gauss-Seidel projeté.

A titre d'exemple, la biomécanique se rapporte à :

- Un outil de discrétisation des organes patient spécifique segmentés en éléments finis, avec en fonction du type d'organe et des choix de modélisation :

• Pour les modélisations volumétriques adaptées notamment aux organes pleins, une discrétisation en tétraèdres ou hexahèdres, obtenue par exemple grâce à « CGAL » (connu en tant que tel et décrit sous https://www.cgal.org/),

• Pour les modélisations surfaciques adaptées notamment aux organes fins ou remplis de liquides, une discrétisation en triangles ou quadrilataires, planaires ou courbes via l'utilisation de surface de Bezier, obtenue par exemple grâce à « Blender » (connu en tant que tel et décrit sous https://www.blender.org/). • Pour les modélisations tabulaires ou arborescentes, adaptées notamment aux conduits comme les vaisseaux sanguins, les nerfs ou les voies biliaires, une discrétisation en segments, droits ou courbes, tracés manuellement ou obtenus automatiquement par squelettisation.

- Un outil de modélisation, générique ou patient spécifique, de l'organe avec :

• Une résolution par la méthode des éléments finis grâce au « framework Sofa »,

• Une loi de comportement mécanique prenant en compte l'épaisseur locale du tissus, sa non-linéarité, son anisotropie et hétérogénéité, et

• Une attribution manuelle ou automatique des paramètres biomécaniques par zones anatomiques.

- Dans le cas où l'organe est rempli de liquide ou d'air, un outil de modélisation des forces de pression à l'intérieur de l'organe, avec :

• Un calcul du volume de la cavité, et

• Une répartition des forces de pression uniformément sur la surface interne de la membrane.

A titre d'exemple, la méthode de modification dynamique des topologies (« remaillage ») se rapporte à :

• Pour les modélisations volumétriques, l'algorithme « Marching tetrahedra » (connu par l'intermédiaire du document "An Efficient Method of Triangulating Equi-Valued Surfaces by Using Tetrahedral Cells." Akio Doi, Akio Koide. IEICE Transactions of Information and Systems, Vol.E74-D No. 1, 1991) permet d'adapter dynamiquement la topologie après avoir attribué à chaque nœud du maillage une distance signée à la surface décrivant la découpe (le signe indiquant si la matière est retirée ou non à cet endroit). L'algorithme décrit la définition des triangles sur la frontière, il peut être étendu de façon simple à la génération des tétraèdres découpés respectant la frontière triangulée. La topologie ainsi obtenue peut ensuite être raffinée et/ou optimisée en utilisant par exemple « CGAL » mentionné ci-dessus.

· Pour les modélisations surfaciques, l'algorithme « Virtual nodes

» (connu par l'intermédiaire du document "A virtual node algorithm for changing mesh topology during simulation.". Neil Molino, Zhaosheng Bao, and Ron Fedkiw. ACM SIGGRAPH 2005 Courses, Article 4. DOI: https://doi.Org/10. l 145/1198555.1198574) permet de prendre en compte des frontières de découpes détaillées (discrétisation « fine ») décrite sur la surface initiale non découpée de l'organe pour en déduire une topologie surfacique avec des éléments grossiers mais dupliqués autour des découpes pour prendre en compte la séparation des différentes parties du tissus

(discrétisation « grossière »). Cet exemple d'approche permet en particulier de réduire considérablement les calculs nécessaires à la bio mécanique en l'appliquant à la discrétisation « grossière » alors que le résultat présenté à l'utilisateur peut être raffiné en se reposant sur les détails capturés dans la discrétisation « fine ».

Dans le cas où l'organe de référence est soumis à de fortes contraintes mécaniques, il peut être nécessaire, pour obtenir une meilleure précision, d'ajouter à la biomécanique, un outil d'estimation inverse de la forme au repos de l'organe. En connaissant les forces présentes lors de l'acquisition, on calcule par simulation inverse la forme non dilatée de l'organe patient spécifique en accord avec sa loi de comportement. Ce calcul peut se baser sur les choix de discrétisation ci-avant ainsi que sur l'infrastructure de calcul, mais nécessite toutefois un algorithme supplémentaire d'optimisation pour l'inversion des paramètres recherchés. Cette forme au repos est ensuite utilisée par la modélisation biomécanique en tant que forme correspondant à l'état où le stress interne de chaque élément est nul.

Dans l'hypothèse où nous avons plusieurs acquisitions du même gane soumis à des forces différentes, cette technologie peut également permettre avoir une estimation de paramètres mécaniques spécifiques pour le patient.

Dans le cas d'un manque d'informations et de mesures ou données se rapportant aux organes d'un patient donné, il peut être nécessaire de faire appel à une méthode d'apprentissage automatique. A titre d'exemple cette méthode se rapporte à :

• la définition d'un ensemble de paramètres non connus ou non suffisamment connus dans les informations disponibles, se rapportant par exemple aux tissus tels que tissus (raideurs locales, épaisseurs, non-linéarités, anisotropies, etc.) et leurs attaches (positions, dimensions, raideurs)

• la définition d'un ensemble de critères d'évaluation permettant d'évaluer la qualité du résultat d'une simulation par rapport à un comportement attendu dérivé des observations d'experts du domaine (chirurgiens, anatomistes, biomécaniciens), telles que des intervalles de déplacements et des réponses à des actions spécifiques.

• l'utilisation d'un algorithme d'apprentissage automatique, tel par exemple qu'un algorithme génétique, pour trouver un ou plusieurs ensembles de paramètres remplissant les critères d'évaluation avec une erreur minimale.

La biomécanique se rapporte également à :

- La collision inter et intra organes avec :

• Une résolution discrétisée en temps réel des contacts grâce au « framework Sofa »,

• Une prédiction des points de collision sur les triangles de surface des organes patient-spécifiques avec prise en compte des courbures locales de la surface,

• Si nécessaire pour améliorer l'efficacité des calculs une agrégation des contacts en surfaces, et

• Une résolution des forces de contacts prenant en compte la non pénétration dans la direction normale ainsi que les conditions de frottement sec ou visqueux.

A titre d'exemple, les interactions se rapportent à :

- Une découpe avec :

• Une description de zones de découpe sur l'outil d'affichage AI ou l'interface tactile,

• Un remaillage des éléments surfaciques et volumiques.

- Une suture avec :

• Une description de la méthode de suture : nombre, direction, écartement des points, et

• Une simulation d'opérations virtuelles.

- Un agrafage avec :

• Une description de la méthode d'agrafage : taille, nombre, direction, écartement des agrafes, et

• Une simulation d'opérations virtuelles.

- Des mesures avec :

• Une description des mesures à effectuer sur interface tactile, notamment des mesures de distance, d'angle et de volumes.

A titre d'exemple, la visualisation se rapporte à :

- Un rendu 3D du modèle d'organe en vue externe ou par coupe anatomique sagittale, transverse, ou selon toute autre orientation,

- Un affichage par gradient de couleur des forces de tension au sein du ou des organes virtuels,

- Une possibilité de faire tourner l'organe, de l'agrandir ou de le réduire via l'outil d'affichage AI du genre interface tactile.

A titre d'exemple, une application possible de l'invention est un système d'apprentissage de la planification chirurgicale d'une résection partielle de l'estomac, dans le cadre du traitement d'une tumeur ou d'une réduction pour cause d'obésité.

Cette application peut se reposer par exemple sur un ordinateur dédié, associé à un écran tactile, ou alors sur un ensemble de serveurs mutualisés distants (« cloud ») associés à des tablettes tactiles.

L'application peut fournir un ou plusieurs exercices permettant d'apprendre la planification des différentes étapes de l'opération (création de la voie d'abord, résection, suture), de façon discrète (chaque étape étant l'objet d'un exercice séparé) ou continue (une suite de simulations permet d'enchaîner les étapes). Ces exercices peuvent utiliser des données provenant soit sur un ensemble de cas patients prédéterminés et fournis avec le système, soit des données issues de cas patients spécifiques apportés par l'utilisateur, et intégré au système de façon automatique ou manuelle.

Une fois la procédure décrite par l'élève, la simulation prédictive abouti à un estomac modifié (de par la forme de la résection effectuée, et les positions de la séquence de points de sutures choisis), que l'élève ou l'enseignant peut évaluer en le soumettant à des injections de gaz ou liquides à différents niveaux de pressions ou de volumes. Le système permet à l'utilisateur de faire varier interactivement ces sollicitations et propose l'affichage d'un certain nombre d'indicateurs tels que les tensions internes des tissus, les volumes, dimensions ou angles obtenus, et des indicateurs de risque de relâchement des points de sutures ou de fuites.

Les retours fournis et l'interactivité du système permettent à l'utilisateur de mettre en pratique ses connaissances théoriques, d'avoir un rôle actif par rapport à la qualité du résultat obtenu, de pouvoir se former à l'évaluation par lui-même de la qualité de son approche, et dans toutes ces étapes apprendre de ses erreurs, tout ceci grâce à une simulation virtuelle qui évite de risquer la vie d'un patient réel.

De manière évidente, l'invention ne se limite pas au mode de réalisation ou de mise en œuvre préférentiel décrit précédemment et représenté sur les différentes figures, l'homme du métier pouvant y apporter de nombreuses modifications et imaginer d'autres variantes sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications. Ainsi, une caractéristique technique peut être remplacée par une caractéristique technique équivalente et une étape peut être remplacée par une étape équivalente sans sortir du cadre de la présente invention.