Développement d'un simulateur haptique d'anesthésie dentaire // Development of a haptic simulator for dental anesthesia

La formation pratique au geste médical par la simulation est une pratique indispensable pour reporter la première exécution du geste sur patient lors de son apprentissage, surtout pour des gestes réalisés partiellement 'à l'aveugle', sans visualisation directe de la zone de traitement. Le projet ANR IDEAL (Improved learning environment for dental anaesthesia), impliquant les laboratoires Ampère, Icube, LaRAC et LIRIS, les Hôpitaux Civils de Lyon (HCL), ainsi que l'entreprise HRV, vise à concevoir un simulateur haptique (à retour d'efforts) pour l'apprentissage du geste de l'anesthésie du nerf alvéolaire inférieur. Cette procédure complexe présente un taux d'échec élevé chez les praticiens novices car elle nécessite une connaissance anatomique approfondie, une orientation spatiale précise et un effort mental significatif.
Dans ce cadre, cette thèse portera, d'une part, sur la conception et la réalisation d'une partie physique de la mâchoire d'un patient et, d'autre part, sur la réalisation d'un actionneur capable de reproduire les forces mises en jeu lors de l'insertion de l'aiguille montée sur une seringue permettant de délivrer l'anesthésiant. La mâchoire devra être au plus proche de la réalité en terme de mobilité et de rigidité afin de retrouver les contraintes rencontrées pendant l'opération. L'actionneur sera à dimensionner et devra reproduire les sensations ressenties par l'anesthésiste lors de l'insertion dans les tissus mous. En fonction de la position de l'aiguille, un modèle numérique reproduira le comportement des tissus traversés pour commander l'actionneur afin de reproduire les efforts lors de l'insertion.
Ce travail s'attaquera à plusieurs verrous scientifiques: la simulation haptique pédagogique mixant tangible et numérique, la reproduction des efforts par un dispositif haptique actif sans support et la commande en raideur d'actionneurs interaction avec un modèle numérique
L'objectif de ce travail de doctorat est donc la proposition d'un simulateur physique de patient qui permettra aux apprenants de palper le patient et d'interagir avec celui-ci de manière à simuler l'interaction praticien-patient. Il sera accompagné du développement d'un dispositif haptique pour gérer l'interaction praticien-outil. Ce dispositif haptique dédié utilisera un actionnement permettant de reproduire différents types de contacts (durs et mous), ainsi que de méthodes pour reproduire les forces impliquées dans le geste. Un défi clé est de gérer les interactions avec des matériaux de rigidité variable, allant du tendre (chair) au très rigide (os), tout en concevant un outil haptique portable réaliste qui imite les véritables instruments opérationnels sans les contraintes d'un bras haptique traditionnel.
A l'heure actuelle, aucun simulateur n'existe pour assister ce geste quotidien pourtant loin d'être simple et anodin. Ce simulateur aidera à améliorer ce geste technique et à former les étudiants sans danger pour les patients. La partie mécatronique du simulateur est au centre de ce projet. Les autres équipes apporteront leurs compétences en terme de modélisation biomécanique et simulation numérique temps réel, ainsi que sur les aspects d'analyse du geste et de didactique. Le simulateur sera donc conçu de manière globale en prenant en compte les contraintes de chaque partie lors de son développement.
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Practical training in medical gestures through simulation is an essential practice for delaying the first execution of the gesture on a patient during learning, particularly for procedures performed partially 'blindly,' without direct visualization of the treatment area. The ANR IDEAL project (Improved Learning Environment for Dental Anesthesia), involving the Ampère, Icube, LaRAC, and LIRIS laboratories, the Civil Hospitals of Lyon (HCL), and the company HRV, aims to design a haptic simulator (with force feedback) for learning the procedure of inferior alveolar nerve anesthesia. This complex procedure has a high failure rate among novice practitioners as it requires in-depth anatomical knowledge, precise spatial orientation, and significant mental effort.

In this context, this thesis will focus on, firstly, the design and implementation of a physical model of a patient's jaw, and secondly, the development of an actuator capable of reproducing the forces involved during the insertion of the needle mounted on a syringe that delivers the anesthetic. The jaw must closely resemble reality in terms of mobility and rigidity to reflect the constraints encountered during the procedure. The actuator will need to be appropriately sized and must replicate the sensations experienced by the anesthetist during insertion into the soft tissues. Depending on the position of the needle, a digital model will simulate the behavior of the tissues traversed in order to control the actuator and reproduce the forces during insertion.

This work will address several scientific challenges: haptic simulation that blends tangible and digital elements, reproduction of forces using an active haptic device without support, and stiffness control of actuators in interaction with a digital model.

The objective of this doctoral work is to propose a physical patient simulator that will allow learners to palpate the patient and interact with them in a way that simulates practitioner-patient interaction. It will be accompanied by the development of a haptic device to manage the practitioner-tool interaction. This dedicated haptic device will use actuation to reproduce different types of contacts (hard and soft), as well as methods to replicate the forces involved in the gesture. A key challenge is to manage interactions with materials of varying stiffness, ranging from soft (flesh) to very rigid (bone), while designing a realistic portable haptic tool that mimics actual operational instruments without the constraints of a traditional haptic arm.

Currently, no simulator exists to assist with this everyday gesture, which is far from simple and trivial. This simulator will help improve this technical gesture and train students safely, without risk to patients. The mechatronic component of the simulator is central to this project. Other teams will contribute their expertise in biomechanical modeling and real-time numerical simulation, as well as in gesture analysis and pedagogy. The simulator will therefore be designed comprehensively, taking into account the constraints of each component during its development.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

INSA Lyon

160 EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon

• Étudiant.e ayant un Master 2 ou un diplôme d'ingénieur, spécialisé.e en mécanique et mécatronique; • Intérêt marqué pour les interfaces pluridisciplinaires entre mécanique, automatique et informatique industrielle ; • Autonomie, rigueur expérimentale et esprit critique appréciés ; • Des connaissances en simulation numérique, fabrication additive, instrumentation, Matlab-Simulink seront un plus Les candidat.e.s devront manifester un fort intérêt pour la recherche expérimentale à l'interface de plusieurs disciplines, ainsi que d'autonomie et de rigueur scientifique dans la réalisation des expériences.
• Student with a Master's degree or engineering diploma, specialized in mechanics and mechatronics; • Strong interest in interdisciplinary interfaces between mechanics, automation, and industrial computing; • Appreciated qualities include autonomy, experimental rigor, and critical thinking; • Knowledge in numerical simulation, additive manufacturing, instrumentation, and MATLAB-Simulink will be a plus. Candidates should demonstrate a strong interest in experimental research at the intersection of multiple disciplines, as well as autonomy and scientific rigor in conducting experiments.