Biomechanical models for interactive childbirth simulation
Modèles biomécaniques pour la simulation interactive de l'accouchement
Résumé
In obstetrics, it is difficult to teach instrumental delivery in situ, e.g. teaching the use of forceps when fetal malposition occurs. There is yet no simulator available that take into account different types of situations that enables the modification of tissue properties, interactions, and geometries. This lack of training yields to a lack of confidence in the inexperienced practitioners or midwife, increasing the rate of cesarean delivery.
In order to complete the training of the practitioners and midwife, we are developing an interactive simulator, based on a specific biomechanical model that can take into account the pelvic dynamics as well as the interaction with the fetus and the extraction instruments.
This simulator should answer the following requirements:
different morphologies and positions of the fetus should be available,
computation and visualization of the interaction constraints and deformations of the fetus, pelvic muscles and instruments should be possible, interaction in a virtual environment should be provided.
The key challenges mainly include:
definition of a biomechanical model, its material model and parameters (discrete and continuous hybrid deformable model), definition of the interaction models (collisions, sliding, friction and more generally continuous contacts), optimization of the computation in order to fulfill the interactive-time objective (CPU-GPU, adaptive or multi-scale geometry,...).
La formation aux gestes en obstétrique réalisée directement auprès du patient pose des problèmes éthiques et médico-légaux. C'est pourquoi une grande partie de cette formation repose sur l'observation in-situ. Cette approche ne permet pas de prendre en charge l'ensemble des dimensions nécessaires à la formation telles que l'extraction instrumentale, l'acquisition d'un niveau de dextérité suffisant ou encore la capacité de prise de décision face à une situation à risque. Les systèmes d'entrainement par simulation consituent une réponse à ce problème de formation. Toutefois, les simulateurs haptiques actuels ne permettent qu'une évaluation qualitative du geste obstétrique et ne founissent pas d'informations quantitatives sur les efforts subis par les différents organes pelviens. Ces informations quantitatives ne sont accessibles que par des simulation biomécaniques de la descente foetale. Par contre, pour pouvoir être utilisées conjointement avec un simulateur haptique dans un but d'apprentissage, ces simulations doivent être interactives. Dans ce manuscrit, nous proposons tout d'abord un état de l'art des différents modèles biomécaniques existants permettant de modéliser les organes pelviens et la descente foetale. Après avoir identifié la tête foetale comme la structure la plus susceptible de subir des dommages importants lors de l'accouchement, nous présentons un modèle de la tête foetale basé sur des éléments finis de coque CST-DKT que nous étendons avec un formulation co-rotationelle et une contrainte de volume permettant de prendre en compte la matière intra-crânienne. Une implémentation GPU de ce modèle est proposée pour permettre des simulations interactives. Ce modèle est validé sur une simulation de la pression intra-utérine subie par la tête foetale lors de la deuxième phase de l'accouchement. Enfin, nous proposons une ébauche de modèle complet pour la simulation interactive de la descente foetale.
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