Développement d’un simulateur haptique d’anesthésie dentaire

Contexte :
La simulation joue un rôle crucial dans la formation médicale, allant de simples maquettes à des environnements avancés de réalité virtuelle. Cependant, des défis persistent, notamment dans l'apprentissage de procédures techniques complexes réalisées "à l'aveugle", sans visualisation directe de la zone de traitement. Pour ces procédures, le "premier contact avec le patient" reste problématique, entraînant des taux d'échec élevés et un stress significatif pour les étudiants. Une approche courante consiste à améliorer la technologie, en proposant un rendu au plus proche de la réalité pendant la formation par simulation [1-2].
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 pour l’apprentissage du geste de l’anesthésie du nerf alvéolaire inférieur (NAI)
[3, 4, 5]. Cette procédure complexe implique l'insertion d'une aiguille près de la zone du foramen mandibulaire, sans aucune visualisation de l'anatomie interne. Elle présente un taux d'échec élevé, variant entre 7 % et 75 % chez les praticiens novices. Selon [6], ce faible taux de succès est dû, d'une part, à la complexité technique de la procédure, qui nécessite une connaissance anatomique approfondie, une orientation spatiale précise et un effort mental significatif en raison de la visibilité limitée, et, d'autre part, au stress ressenti par les étudiants
lors de leurs premières injections.
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 termes 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 dans le but de reproduire les efforts lors de l’insertion.

Domaine et contexte scientifiques :
Concernant le rendu haptique des objets déformables requis pour le simulateur proposé, malgré des recherches approfondies sur l'insertion d'aiguille [7-10], plusieurs défis demeurent. Ceux-ci incluent la modélisation précise de la déformation et du comportement des tissus lors de l'insertion, la détection de
contacts mous et rigides, et l'assurance de réponses de contact réalistes. De plus, effectuer ces simulations en temps interactif pour le contrôle des dispositifs haptiques nécessite une puissance de calcul significative [11]. Les solutions actuelles, y compris celles développées par le laboratoire Ampère [10, 12, 13], s'appuient sur des dispositifs haptiques standards fondés sur des bras robotiques. Cependant, ces systèmes présentent des limitations, telles qu'un espace de travail inadapté, une rigidité accrue et de l'inertie, qui peuvent
interférer avec le mouvement naturel et entraver l'apprentissage. Dans le projet IDEAL, l'outil haptique devra être entièrement portable. La seule source potentielle de perturbation acceptable pour les apprenants sera les câbles nécessaires par l’apport d’énergie, mais il faudra les rendre aussi légers et flexibles que possible pour minimiser leur impact. Si la source d’énergie est éloignée, son éventuel retard de transmission devra être pris en compte. Le retard proviendra également du modèle numérique qui sera sollicité pour estimer les forces mises en jeu lors de l’interaction de l’outil avec les tissus. Ce modèle numérique sera à développer à partir des travaux des partenaires du projet qui développeront un modèle numérique plus complexe. Le modèle proposé devra être capable de communiquer avec la partie haptique en respectant les contraintes de temps de calcul qui doit être de l’ordre du kHz.

Objectif :
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. Ilsera 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. 

Verrous scientifiques :
Ce projet permettra de lever les verrous scientifiques suivants :

• simulation haptique pédagogique mixant tangible et numérique
• reproduction des efforts par un dispositif haptique actif sans support
• commande en raideur d’actionneurs
• interaction avec un modèle numérique

Contributions originales attendues :
À 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 termes 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.

Programme de recherche et démarche scientifique proposée :
L'année 1 débutera par l'étude et la réalisation de la partie tangible du simulateur afin d’assurer une palpation réaliste. Une étude de l'état de l'art permettra de s'appuyer sur les travaux récents de la communauté dans ce
domaine. Cette étude se fondera sur les données du LARAC, qui aura formalisé en amont les besoins pédagogiques de cet apprentissage. Cette première année se terminera par une proposition de dispositif haptique actif pour simuler l’insertion de l’aiguille et le mouvement du piston de la seringue associée. Des simulations à la fois mécaniques et d’automatique devront valider la capacité de la solution à restituer les efforts à fournir avec la précision nécessaire.
L’année 2 consistera à prototyper la « seringue haptique » afin d’étudier des lois de commande susceptibles de reproduire les sensations kinesthésiques ressenties par le praticien en temps normal et dans les cas anormaux. Cette problématique n’a été étudiée qu’en partie, lors de la conception d’un simulateur d’insertions péridurales [12] et en utilisant une interface haptique du commerce sur support. Des expérimentations itératives seront nécessaires avec d’abord un chirurgien-dentiste expert, puis plusieurs, pour assurer une bonne
fidélité du simulateur. Dans ce processus, les ressources à disposition du doctorant seront la plateforme FPRoMME du laboratoire Ampère, les connaissances, les contacts industriels et l'expertise en robotique médicale de la thématique RoSyMe (Robotique et Systèmes Multi énergie) d'Ampère. Le modèle numérique de simulation biomécanique sera développé en partie par les partenaires LIRIS et ICube.
Pendant l'année 3 seront évalués les capacités du simulateur à former efficacement les apprenants à ce geste précis, en collaboration avec le LARAC. Une campagne de mesure sera également mise en place avec des experts et des novices afin de quantifier la différence entre ces deux populations en vue d’évaluer l’apprentissage sur ce simulateur. La fin de cette année sera également consacrée à la rédaction du rapport de thèse et à la préparation de la soutenance.

Pendant ces trois années, le doctorant devra rédiger des articles scientifiques faisant état de son avancement en vue de publications dans des conférences internationales (ICRA, IROS, EMBC) et dans des revues scientifiques (IEEE TRMB, IEEE TBME, IEEE ToH).

L'INSA Lyon est la première école d'ingénieurs postbac de France.
Elle accueille chaque année une grande diversité de profils parmi les meilleurs étudiants de France, du bac au master.  Près de 100 nationalités sont représentées dans nos effectifs d'élèves ingénieurs. L'INSA Lyon diplôme également chaque année plus d’une centaine de docteurs.

Avec ses 22 laboratoires, l'INSA Lyon développe une politique scientifique pluridisciplinaire d'excellence en partenariat avec les écoles du collègue d'ingénierie et les quatre universités du site Lyon - Saint-Etienne ainsi que le tissu industriel. Les chercheurs et enseignants-chercheurs contribuent à relever quotidiennement de grands enjeux sociétaux en déployant une recherche d’excellence à la fois au cœur des sciences de l’Ingénierie, mais aussi aux interfaces, en déployant des approches originales pluridisciplinaires.

Le laboratoire Ampère est spécialisé dans la gestion et l’utilisation rationnelle de l’énergie dans les systèmes en relation avec leur environnement. Le laboratoire est une unité mixte de recherche (UMR 5005) du CNRS, de l’École Centrale de Lyon, de l’INSA de Lyon, et de l’Université Claude Bernard Lyon 1. Au 12/03/2024, il regroupe 208 personnes, dont 95 doctorants, 15 post-docs 69 chercheurs et enseignants-chercheurs, 7 chercheurs émérites ou bénévoles et 23 personnes pour le support à la recherche (administratif et technique). Il développe des activités disciplinaires et trans-disciplinaires portées par ses trois départements : automatique pour l’ingénierie des systèmes (AIS), bio-ingénierie (BIO) et énergie électrique (EE).

La production scientifique du laboratoire, de l’ordre de 90 articles revue et 120 communications en conférence par an, est accessible sur https://www.ampere-lab.fr/spip.php?rubrique4.

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.