Un simulateur de réalité virtuelle pour former les chirurgiens aux interventions de la base du crâne

Les personnes atteintes de maladies ou d’affections qui affectent la base du crâne, telles que des anomalies otologiques, des tumeurs cancéreuses et des malformations congénitales, pourraient avoir besoin de subir une chirurgie de la base du crâne à un moment de leur vie. Pour mener à bien ces procédures difficiles, les chirurgiens doivent opérer habilement sur et dans le crâne d’une personne, en accédant à des régions spécifiques à l’aide de perceuses.

Des chercheurs de l’Université Johns Hopkins (JHU) ont récemment développé un nouveau système qui pourrait être utilisé pour former les chirurgiens à effectuer des chirurgies de la base du crâne, ainsi que potentiellement d’autres procédures chirurgicales complexes. Ce système, présenté dans un article publié dans Méthodes informatiques en biomécanique et génie biomédical : imagerie et visualisation, est basé sur l’utilisation d’un simulateur de réalité virtuelle (VR).

« Le processus de forage nécessite que les chirurgiens retirent des quantités minimales d’os tout en veillant à ce que les structures importantes (telles que les nerfs et les vaisseaux) logées dans l’os ne soient pas endommagées », a déclaré à TechXplore Adnan Munawar, l’un des chercheurs qui ont développé le système. « Par conséquent, les chirurgies de la base du crâne nécessitent des compétences élevées, une précision absolue et une précision inférieure au millimètre. La réalisation de ces compétences chirurgicales nécessite une formation assidue pour assurer la sécurité des patients. »

Actuellement, la plupart des chirurgiens résidents sont formés pour effectuer des chirurgies de la base du crâne et d’autres procédures sur des cadavres ou sur des personnes vivantes sous la supervision de médecins expérimentés. Cependant, des simulations informatiques réalistes et des environnements virtuels pourraient considérablement améliorer la formation des chirurgiens, offrant une alternative rentable, sûre et reproductible aux méthodes de formation traditionnelles.

En plus de permettre aux chirurgiens de mettre en pratique leurs compétences dans un cadre sûr et réaliste, les outils de simulation permettent la collecte de données précieuses qui seraient autrement plus difficiles à atteindre. Cela inclut les trajectoires optimales des outils chirurgicaux, les forces qui sont transmises au cours d’une procédure ou la position des caméras/endoscopes.

« Ces données sont utiles à deux fins », a expliqué Munawar. « Premièrement, il pourrait être utilisé pour former des algorithmes d’intelligence artificielle (IA) qui peuvent aider les chirurgiens en salle d’opération et rendre les procédures plus sûres. Deuxièmement, en comparant les données chirurgicales des résidents en formation et des chirurgiens experts, les éducateurs pourraient individualiser la formation et rendre le le temps dont disposent les stagiaires pour une éducation plus efficace. »

Le système basé sur la réalité virtuelle créé par les chercheurs permet aux chirurgiens résidents et expérimentés de pratiquer des procédures chirurgicales complexes dans des environnements simulés basés sur les tomographies par ordinateur (CT) de patients réels. De plus, le simulateur peut être utilisé pour enregistrer des données structurées. Ces données pourraient éventuellement être utilisées pour évaluer les compétences des stagiaires ou pour former des algorithmes d’apprentissage automatique qui pourraient aider les chirurgiens lors d’interventions complexes.

En plus de Munawar, l’équipe multidisciplinaire qui a développé le système comprenait les étudiants Zhaoshuo Li, Nimesh Nagururu, Andy Ding et Punit Kunjam, ainsi que le chirurgien Francis Creighton et les membres de la faculté d’ingénierie Peter Kazanzides, Russell Taylor et Mathias Unberath. Jusqu’à présent, les chercheurs ont utilisé leur système pour simuler spécifiquement des chirurgies de la base du crâne. En raison de sa flexibilité, cependant, il pourrait également être éventuellement appliqué à d’autres interventions et procédures chirurgicales.

« Jusqu’à présent, notre système fournit un environnement de simulation immersif dans lequel les chirurgiens peuvent interagir avec un crâne virtuel généré à partir d’un scanner CT (tomodensitométrie) du patient », a déclaré Munawar. « Une perceuse virtuelle contrôlée via un appareil haptique (ou un clavier) est utilisée pour percer le crâne virtuel. L’interaction entre la perceuse et le crâne est utilisée pour générer un retour de force qui est fourni via l’appareil haptique pour une tactilité réaliste. Enfin, pour le réalisme visuel et la perception de la profondeur, la vidéo stéréoscopique est affichée sur un casque VR (Virtual Reality).

Comme un chirurgien opère dans l’environnement simulé, le système créé par l’équipe de JHU collecte des données de haute qualité en temps réel. Cela comprend des informations sur la trajectoire de la main du chirurgien, les forces transmises par la perceuse virtuelle sur le crâne fantôme et des séquences stéréo/vidéo.

« Un aspect remarquable de notre travail est qu’il offre la possibilité d’incorporer de vrais modèles de patients dans notre environnement de simulation, puis de les déployer pour une utilisation par des chirurgiens qualifiés et des résidents pour la formation », a déclaré Munawar. « De plus, les données collectées par les experts peuvent être utilisées pour le développement d’algorithmes d’IA (intelligence artificielle). »

À l’avenir, le simulateur VR créé par cette équipe de chercheurs pourrait être introduit dans les facultés de médecine, les hôpitaux et les établissements de santé, comme moyen de former de nouveaux chirurgiens avant de commencer à opérer des humains. De plus, ces travaux récents pourraient ouvrir la voie à une intégration généralisée d’outils de formation chirurgicale basés sur la réalité virtuelle avec la collecte de données structurées pour former des agents d’IA.

« Notre plan immédiat est de déployer notre système dans le département d’oto-rhino-laryngologie de Johns Hopkins et de l’utiliser par des chirurgiens qualifiés ainsi que par des résidents pour la pratique et la collecte de données », a ajouté Munawar. « Les données collectées seront utilisées pour établir un protocole d’évaluation quantitative pour caractériser les performances chirurgicales, qui n’est pas présenté par les travaux antérieurs. Nous utiliserons également les données pour développer des algorithmes d’intelligence artificielle pour les chirurgies assistées par ordinateur, tels que le suivi des outils/tissus et Algorithmes de reconstruction 3D. »

Réseau Science X 2021