Simulation is an essential component in training, from animal models for surgeons to virtual reality flight simulators for pilots. New medical advances have increased the need for specialized training platforms. This thesis focused on one intervention for the treatment of the leading cause of disability worldwide:​ low back pain and lumbar interbody fusion. The removal of the intervertebral disc, or discectomy, is a key part of interbody fusion and is the focal point of this thesis. Surgeons use visual and haptic, or touch-based, indicators to operate. Thus, the global focus of this work was to develop a virtual reality simulator focused on delivering effective haptic feedback to teach surgeons the skills and techniques essential for performing minimally invasive lumbar discectomies.

This work encompassed three hypotheses aimed towards developing said simulator. The first hypothesis was that a functionally and geometrically accurate analogue tool could be developed to deliver realistic (≥3 on a 1-5 Likert scale questionnaire) and appropriate ([-800, 800] N·mm) haptic feedback to simulate a virtual discectomy, a need stemming from a clear gap in existing commercial devices. A novel tool to deliver torque was designed, constructed, and evaluated to augment a haptic device. Twenty-nine surgeons performed a discectomy via a simulator with the novel haptic tool. Questionnaire results (≥3) indicated that the physical appearance and maneuverability of the novel tool accurately simulated the procedure, but they found its response implemented in the simulator lacking (<3). Its torque capability met the established need, with a theoretical peak 830 N·mm.

A second hypothesis, executed in parallel to the first, was that discectomy linear and torsional responses would be dependent on spinal level and decrease as tissue was removed during repeated passes at a magnitude detectable to a surgeon (≥7% difference). A tool mounted on a mechanical testing system was used to characterize the linear (2.1±1.6 N/mm, 25.2±16.7 N at 11.5 mm) and torsional (5.6±4.3 N·mm/°, 146.6±90.0 at 20°) response when penetrating lumbar intervertebral discs in two cadavers. Significant differences (p < 0.05) were found between initial and later passes through the tissue, as well as among lumbar levels, tool depth, and speed. All differences exceeded the just-noticeable difference, the minimum detectable change between two responses, indicating a surgeon should be able to distinguish the shifts in haptic feedback.

The third hypothesis was that freehand biomechanical tests and traditional controlled tests would yield different linear resistances (p < 0.05) when measuring force during discectomy tool insertion. This was done to imitate surgical movements more closely during testing. A novel 6- degree-of-freedom freehand device was designed and produced to track a surgeon’s position in space and monitor the resulting linear resistance during use. Linear resistance differences were measured among controlled testing of torso and spine (8% lower, not statistically significant) samples, as well as spine samples with controlled and freehand testing (70% lower, p < 0.001). Traditional biomechanical testing procedures and results may be modified to inform a surgical simulator using this method that better approximates surgical conditions.

The global focus of creating a virtual reality discectomy simulator to train surgeons was achieved through these three objectives. A novel tool, built to give torque feedback, was integrated into a surgical simulator. Cadaveric testing quantified linear and torsional responses encountered during surgery, which, in turn, informed the tool of the first objective. A new freehand testing device and sample comparisons further refined and augmented the traditional tissue testing performed. In parallel, additional work, such as meshing to give visual and haptic responses, was carried out to create the simulator. Gameplay developed with surgeons and industry partners ensured the simulator was relevant to the needs of all users. The three primary objectives used to build the simulator add to the existing body of knowledge in the world of spine biomechanics and more, specifically spine surgery. This work will inform the next generation of surgical simulators, lead to more effective surgical training solutions, and, hopefully, contribute to better outcomes for patients.

La simulation est un élément essentiel de la formation de plus de professionnels chaque année. Les avancées médicales ont démontré le besoin de systèmes de formation spécialisées. Cette thèse s'est concentrée sur une intervention pour la principale cause d'invalidité dans le monde:​ la lombalgie et la fusion intervertébrale lombaire. L’enlèvement du disque, la discectomie, est un élément clé de fusion. Les chirurgiens utilisent des signes visuels et haptiques, ou tactiles, pour opérer. Par conséquent, l'objectif global de ce travail était de développer un simulateur de réalité virtuelle concentré sur l’obtention d'un retour haptique efficace pour enseigner aux chirurgiens les compétences essentielles pour effectuer des discectomies.

Le développement du simulateur a été divisé en trois hypothèses. Le premier était qu'un outil analogique pouvait être développé pour fournir un retour haptique réaliste (≥3 sur un questionnaire de Likert de 1 à 5) et approprié ([-800, 800] N⋅mm) pour simuler une discectomie. Un nouvel outil pour fournir un couple a été conçu, construit et évalué pour augmenter un dispositif haptique. Vingt-neuf chirurgiens ont effectué une discectomie sur un simulateur. Les scores (≥3) ont indiqué que l'apparence physique et la maniabilité du nouvel outil haptique a simulé avec précision la procédure, mais le couple était insuffisant (<3). Sa capacité de couple a répondu au besoin établi, avec un pic théorique de 830 N·mm.

Une deuxième hypothèse était que les réponses linéaires et de torsion de la discectomie dépendraient du niveau de la colonne vertébrale et diminueraient à mesure que le tissu était retiré au cours de passes répétées à une amplitude détectable par un chirurgien (≥7% de différence).

Un outil monté sur un système de test mécanique a caractérisé les réponses linéaires (2,1±1,6 N/mm, 25,2±16,7 N à 11,5 mm) et de torsion (5,6±4,3 N·mm/°, 146,6±90,0 à 20°) lors de la pénétration des disques intervertébraux lombaires sur deux cadavres. Des différences (p < 0,05) ont été trouvées entre les passages initiaux et ultérieurs à travers le tissu, ainsi qu'entre, les niveaux lombaires, la profondeur de l'outil et la vitesse. Toutes les différences dépassaient la différence juste perceptible, le changement minimum détectable entre deux réponses, ce qui indique qu'un chirurgien devrait être capable de détecter les changements dans la réponse haptique.

La troisième hypothèse était que les tests biomécaniques à main levée et les tests contrôlés traditionnels cela donnera des résistances linéaires différentes (p < 0,05) lors de la mesure de la force pendant l'insertion de l'outil de discectomie. Cela a été fait pour imiter de plus fidèlement les mouvements chirurgicaux pendant les tests. Un nouveau dispositif à main levée à 6 degrés de liberté a été créé et produit pour suivre la position d'un chirurgien dans l'espace et surveiller la résistance linéaire qui en résulte pendant l'utilisation. Des différences de résistances linéaires ont été mesurées entre les tests contrôlés de torse et de colonne vertébrale seule (8% inférieures, non statistiquement significatif), ainsi que de colonne vertébrale soumise à des tests contrôlés et à main levée (70% inférieures, p < 0,001). Les résultats des tests biomécaniques traditionnels peuvent être modifiés pour alimenter un simulateur chirurgical utilisant cette méthode qui se rapproche davantage des conditions chirurgicales.

L'objectif global de créer un simulateur de discectomie en réalité virtuelle pour former des chirurgiens a été atteint. Un nouvel outil, conçu pour fournir de couple, a été intégré dans un simulateur. Des tests cadavériques ont quantifié les réponses linéaires et de torsion rencontrés pendant la chirurgie, qui, à leur tour, ont été informés l'outil précédent. Un nouveau dispositif de test à main levée a augmenté les tests de tissus traditionnels effectués. Parallèlement, des travaux supplémentaires, comme le maillage pour donner des réponses visuelles et haptiques, ont été effectués. Le gameplay a développé avec des chirurgiens et des partenaires s'est assuré que le simulateur était adapté aux tous. Les trois objectifs utilisés pour construire le simulateur s'ajoutent au corpus de connaissances existant dans le monde de la biomécanique et de la chirurgie de la colonne vertébrale. Ces travaux éclaireront la prochaine génération de simulateurs, conduiront à des solutions de formation en chirurgie plus efficaces et pourraient contribueront à de meilleurs résultats pour les patients.