Low back pain is globally considered the leading cause of disability. Spinal fusion is a surgical procedure used to treat low back pain caused by trauma or degenerative disorders, among other symptoms. New and evolving minimally invasive spinal fusion procedures are proposed based on the promised benefits of the technique. These however constrain surgeons due to smaller workspace and require training to successfully perform the procedure on patients.

Virtual reality simulators show promise to train surgeons in complex surgical procedures. Within these simulators, the haptic feedback plays a key role as it provides essential information to the surgeons about the surgical area. To date no simulator offers the training of bone graft and spinal cage insertion. Thus, the global objective of this thesis was to develop a mixed reality physics based surgical simulator for spinal fusion with focus on bone graft and cage insertion steps. It was hypothesized that these surgical steps could be emulated in such a simulator. The thesis was divided into three objectives and corresponding hypotheses, presented as separate chapters herein.

First, the configuration of the mixed reality simulator benchtop was important to designing the benchtop with the haptic device, position sensors, and surgical area model. The hypothesis was that a workflow could be utilized to determine the configuration of the benchtop in the simulator. Numerical analyses compared the workspaces of the haptic device and surgical procedure, and then determined the appropriate placement of all benchtop components. The determined configuration was then validated by experienced surgeons who first performed the procedure on a cadaver. Data indicated that the determined benchtop configuration and the associated workspace of the haptic device supported the workspace of the procedure.

Second, force feedback experienced by surgeons during graft and cage insertion was collected. The hypothesis was that force based metrics used by surgeons was observed through the measured variables. Lumbar intervertebral discs from two cadavers were used to collect impact forces and displacements used to insert graft and cage. Average forces of 100 and 573N (standard deviation of 170N and 197N, respectively), and maximum displacements of 41.2 and 3.0 mm, were observed during graft and cage insertion, respectively. Based on the applied impact forces, it was determined that the haptic device was not suitable for relaying the feedback experienced in such surgical steps. Relationships were observed during graft and cage insertion for the observed variables. The data were then used to design, develop, and test novel analog impacting tools to be used with the simulator.

Third, the developed analog impact tools for use during graft and cage insertion in the mixed reality simulator were validated based on quantitative and qualitative data collected during trials with orthopedic surgeons. The hypothesis was that the trends between the measured variables in the cadaver studies were modeled by the analog tools and the tools were deemed acceptable based on surgeon feedback. Tools were assessed using quantitative data collected using the methods outlined in the cadaver studies while using analog impact tools within the simulator. Furthermore, the tools were qualitatively assessed via surgeon feedback collected using questionnaires. The tools demonstrated the ability to model the relationships from the cadaver experiments 53% and 31% of the times for the two graft tool profiles. Other patterns for expert surgeons point to the use of varying techniques to complete the task. Based on the Likert scores it was determined that the assessed behaviors of the tools were acceptable suggesting an overall approval.

To meet the haptic needs of orthopedic surgical training in a mixed reality simulator a benchtop configuration, cadaver force profiles and analog impacting tools were developed to model the expected behavior and associated metrics in the simulator.

La fusion vertébrale est une intervention chirurgicale utilisée pour traiter la lombalgie causée par un traumatisme ou des troubles dégénératifs. Des procédures de fusion vertébrale évolutives et peu invasives sont proposées sur la base des avantages promis de la technique, mais elles contraignent les chirurgiens en raison de l'espace de travail plus petit nécessitant ainsi une formation.

Les simulateurs de réalité virtuelle sont prometteurs pour former les chirurgiens aux procédures chirurgicales complexes. Au sein de ces simulateurs, le retour haptique joue un rôle clé pour fournir des informations essentielles sur la zone chirurgicale. A ce jour, aucun simulateur n'offre la formation à la greffe osseuse et à l'insertion de cage rachidienne. Ainsi, l'objectif global de cette thèse était de développer un simulateur chirurgical basé sur la physique en réalité mixte pour les étapes d'insertion de greffe osseuse et de cage dans une chirurgie de fusion. Il a été émis l'hypothèse que ces étapes chirurgicales pourraient être émulées dans un tel simulateur. La thèse a été divisée en trois objectifs et hypothèses correspondantes, présentés ici dans des chapitres distincts.

Premièrement, la conception de la configuration du simulateur de réalité mixte par rapport à ses composants. L'hypothèse était qu'un flux de travail pourrait être utilisé pour déterminer la configuration de la paillasse dans le simulateur. Une comparaison des espaces de travail du dispositif haptique et de la procédure chirurgicale a déterminé le placement de tous les composants de la paillasse. La configuration a ensuite été validée par des chirurgiens expérimentés qui ont d'abord réalisé l'intervention sur un cadavre. Les données ont indiqué que la configuration et l'espace de travail déterminés du dispositif haptique étaient compatibles avec ceux de la procédure.

Deuxièmement, le retour de force ressenti par les chirurgiens lors de l'insertion du greffon et de la cage a été collecté. L'hypothèse était que les mesures basées sur la force utilisées par les chirurgiens étaient observées à travers les variables mesurées. Les forces d'impact et les déplacements pendant l'insertion du greffon et de la cage ont été collectés à partir des disques intervertébraux lombaires de deux cadavres. Des forces moyennes de 100 et 573N et des déplacements maximaux de 41,2 et 3,0 mm ont été observés lors de l'insertion du greffon et de la cage, respectivement. Sur la base des forces d'impact appliquées, le dispositif haptique n'a pas été considéré comme approprié pour relayer la rétroaction. Les données ont été utilisées pour concevoir, développer et tester de nouveaux outils d'impact analogiques pour le simulateur.

Troisièmement, les outils d'impact analogiques développés à utiliser lors de l'insertion du greffon et de la cage dans le simulateur de réalité mixte ont été validés sur la base des données recueillies lors des essais des chirurgiens. L'hypothèse était que les tendances entre les variables mesurées dans les études cadavériques étaient modélisées par les outils analogiques et que les outils étaient jugés acceptables dans les commentaires des chirurgiens. Les outils ont été évalués à l'aide des méthodes décrites dans les études cadavériques tout en utilisant des outils d'impact analogiques dans le simulateur et les commentaires des chirurgiens à partir des questionnaires. Les outils ont modélisé les relations à partir des expériences sur cadavres 53 % et 31 % des fois pour les deux profils d'outils de greffe. D'autres modèles indiquent l'utilisation de différentes techniques de chirurgien. Les scores de Likert suggèrent une approbation globale des comportements évalués des outils.

Les besoins haptiques de la formation chirurgicale orthopédique dans un simulateur de réalité mixte ont été satisfaits grâce au développement d'une configuration de paillasse, de profils de force cadavérique et d'outils d'impact analogiques.