Les patients atteints d'une scoliose idiopathique sévère doivent subir une intervention d'instrumentation chirurgicale hautement invasive et risquée. Pourtant, il n'existe aucun outil informatique d'entraînement collaboratif qui simule fidèlement l'expérience d'une telle chirurgie et qui permet une planification préopératoire pour un patient donné. L'objectif de cette recherche est d'évaluer la faisabilité du développement d'un tel simulateur à l'aide de dispositifs de réalité virtuelle (CAVE et Immersadesk), d'une modélisation biomécanique de la colonne vertébrale et de fonctionnalités collaboratives. Elle vise également à déterminer si un tel outil pourrait être utilisé efficacement pour l'entraînement des chirurgiens orthopédistes lors de sessions de télé-enseignement.

Ces objectifs ont motivé la création d'un prototype, le Collaborative Virtual Reality Spine Surgery Simulator (CVrS3), simulant une salle de chirurgie virtuelle où plusieurs chirurgiens, géographiquement éloignés les uns des autres, peuvent mutuellement se voir et collaborer lors de sessions d'entraînement à la chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique. Le système développé est constitué d'un serveur biomécanique collaboratif, d'un serveur de téléprésence multi-usagers et d'un client de simulation de chirurgie scoliotique en réalité virtuelle.

Le serveur biomécanique intègre une partie du code source du logiciel Spine Surgery Simulator (S3) développé au Laboratoire de Modélisation Biomécanique et de Chirurgie Assistée par Ordinateur (LMBCAO). Ce laboratoire est partagé par l'École Polytechnique de Montréal et le Centre de Recherche du CHU Sainte-Justine. S3 est un simulateur de chirurgie scoliotique pour ordinateur conventionnel permettant de tester rapidement, avant une réelle chirurgie, différentes stratégies d'intervention pour un patient donné. Il modélise le comportement du rachis scoliotique lors de l'instrumentation. Le serveur développé adapte cette modélisation pour une utilisation collaborative en réalité virtuelle. Les clients s'y connectent pour accéder, d'une manière concurrente, à l'état du rachis du patient.

Le rôle du serveur de téléprésence multi-usagers est de propager les déplacements de chaque participant à tous les autres. Les clients utilisent ces informations pour gérer le déplacement des avatars, associés à chaque participant, à l'intérieur de la salle de chirurgie virtuelle. Une meilleure perception de la présence et des intentions des participants est ainsi possible.

Le client de simulation est une application infographique tridimensionnelle qui affiche et gère une salle de chirurgie virtuelle interactive. Il permet de se déplacer à l'intérieur de la salle, d'interagir avec les objets en faisant partie (lampe, implants, outils, etc.) et d'effectuer des manoeuvres chirurgicales sur le rachis scoliotique d'un patient spécifique. Deux versions ont été développées :​ immersive et non-immersive. La version immersive est conçue pour les systèmes de réalité virtuelle avancés tels que la CAVE et l'Immersadesk. La version non-immersive procure plus de flexibilité en offrant une interface sur ordinateur conventionnel avec clavier et souris.

Le présent mémoire présente les choix architecturaux, les caractéristiques et les particularités associés aux entités développées. Les tests usagers, effectués avec deux spécialistes en orthopédie et trois spécialistes en environnements virtuels, sont présentés. Ces tests ont permis d'évaluer les lacunes et les bénéfices du prototype développé. Ils ont également permis d'évaluer l'utilité potentielle de ce type de simulateur en contexte clinique. Les résultats de ces tests sont présentés et commentés.

Ce travail a prouvé la faisabilité du développement d'un simulateur collaboratif de chirurgie scoliotique en réalité virtuelle intégrant la plus récente version du module S3 de modélisation biomécanique du rachis scoliotique. Il a également prouvé la supériorité des systèmes immersifs de réalité virtuelle par rapport aux interfaces conventionnelles, avec écran, clavier et souris standard, en ce qui a trait au réalisme de la simulation et à la facilité d'interaction. Les tests usagers effectués, bien que de petite envergure, ont mis en évidence l'utilité que pourrait avoir ce type de simulateur pour la formation générale des médecins résidents, la compréhension de la biomécanique du rachis scoliotique, le télé-enseignement et le télé-entraînement à la chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique.

Patients suffering from a severe idiopathic scoliosis are subject to a highly invasive and risked instrumentation surgery. However, there is no collaborative training computer tool which simulates truthfully the experience of such a surgery and that allows a preoperative planning for a given patient. The objective of this research is to assess the feasibility of the development of such a simulator with the help of virtual reality technologies (CAVE and Immersadesk), a biomechanical modelling of the spinal column and collaborative functionalities. It also aims to determine if such a tool could be efficiently used for orthopaedist surgeons training during distance learning sessions.

These objectives justified the creation of a prototype, the Collaborative Virtual Reality Spine Surgery Simulator (CVrS3), which simulates a virtual surgery room where several surgeons, geographically away, can mutually see each other and collaborate during scoliosis spine surgery training sessions. The developed system is composed of a biomechanical collaborative server, a telepresence multi-users server and a virtual reality scoliosis spine surgery simulation client.

The biomechanical server uses the source code from the Spine Surgery Simulator (S3) software developed in the Laboratory of Biomechanical Modeling and Computer-Aided Surgery. This laboratory is shared by Ecole Polytechnique de Montreal and the Research Center of Sainte-Justine University Hospital Center. S3 is a spine surgery simulator for conventional computer allowing to test rapidly, before a real surgery, different intervention strategies for a given patient. S3 models the behavior of the scoliotic spine during instrumentation. The developed server adapts this modeling for a collaborative virtual reality use.

The telepresence multi-users server role is to propagate every participant movement to all the others. It permits the clients to move the user associated avatars inside the virtual surgery room. A better perception of participant's presence and intentions is then possible.

The simulation client is a three-dimensional graphic application that displays and manages an interactive virtual surgery room. It allows to move inside the room, to interact with objects (lamp, implants, tools, etc) and to perform surgical maneuvers on the scoliotic spine of a specific patient. Two versions were developed:​ immersive and non-immersive. The immersive version is made for advanced virtual reality systems such as the CAVE and the Immersadesk. The non-immersive version brings more flexibility by providing a conventional computer interface with keyboard and mouse.

This thesis introduces the architectural choices and features associated with the developed entities. A description of the user testing, performed with two orthopaedics specialists and three virtual environments specialists, is also provided. The tests allowed to assess drawbacks and benefits of the developed prototype. They also allowed to evaluate the potential usefulness of this type of simulator. The results from the tests are presented and commented.

This research proved the feasibility of the development of a virtual reality collaborative spine surgery simulator based on the most recent version of $3 biomechanical modeling. It also proved the superiority of virtual reality immersive systems against conventional interfaces based on simulation realism and easiness of interaction. The user testing, although of small scale, points out this kind of simulator could really be useful for resident general training, the understanding of the spine biomechanics, distance learning and training of the scoliosis spine surgery.