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Currently the medical training mainly based on observation rather than practice because learningdone directly from the patient poses ethical problems or medical-legal. Or dexterity required in the use of surgical tools requires practice. The use of training systems based on the simulationcan then be an answer to this training problem. The idea is then to provide through a numerical simulation information (such as the position of the organs in which they interact, or the forces exerted upon them) to physical devices on which the apprentice found sensations and situationsperceived in reality and a visual rendering of the physiological mechanisms generated during the gesture to improve their understanding by the trainees.The challenge is to provide realistic simulations of organs in interactive time. That is to say, we do not seek absolute accuracy of the biomechanical behavior of soft tissue, but from a theoretical knowledge we try to simplify the simulations to reduce their computation time while maintaining a relevant global behavior integration into a learning simulator of medical procedures.To reduce the computation time of simulations, we tackled over the years the problem from different aspects. We have worked on the proposal of new physical models to manage mixed objects, that is to say broken down into elements geometries and different behavior laws ; the contribution of a complex topological model to optimize the topological changes undergone by the subject during his simulation ; on defining interactions held within the object that model the physical behavior including the setting up of a surface model to gain complexity over a solid model ; and the parallelization of processing performed during the simulation to still gain a little more time calculations. The underlying idea is then to play on these aspects during the simulation by using criteria established according to the intended application.; La formation médicale repose majoritairement sur l'observation plutôt que sur de la pratique car l'apprentissage réalisé directement auprès du patient pose des problèmes éthiques voire médicaux-légaux. Or la dextérité nécessaire au maniement des outils chirurgicaux nécessite de la pratique. L'emploi de systèmes d’entraînement basés sur de la simulation peut alors constituer une réponse à ce problème de formation. L'idée est alors d'apporter, par le biais d'une simulation numérique, des informations (comme par exemple la position des organes sur lesquels ils interagissent ou encore les forces exercées sur eux) à des dispositifs physiques sur lesquels l’apprenti retrouve les sensations et situations perçues dans la réalité, ainsi qu'un rendu visuel des mécanismes physiologiques engendrés lors du geste permettant d'améliorer leur compréhension par l’apprenti. Le challenge que nous essayons ainsi de relever consiste à proposer des simulations restituant un comportement réaliste des organes et cela en temps interactif. C'est-à-dire que nous ne recherchons pas une précision absolue du comportement biomécanique des tissus mous, mais à partir d'une connaissance théorique nous essayons de simplifier les simulations pour diminuer leur temps de calcul tout en conservant un comportement global pertinent pour une intégration dans un simulateur d'apprentissage de gestes médicaux. Pour diminuer le temps de calcul des simulations, nous avons abordé au fil des années le problème sous différents aspects. Nous avons ainsi travaillé sur la proposition de modèles physiques permettant de gérer des objets mixtes, c'est-à-dire décomposés en éléments de géométries et de lois de comportement différents ; sur l'apport d'un modèle topologique complexe permettant d'optimiser les changements topologiques subis par l'objet durant sa simulation ; sur la définition des interactions exercées au sein de l'objet qui modélisent son comportement physique avec notamment la mise en place d'un modèle surfacique permettant de gagner en complexité par rapport à un modèle volumique ; et sur la parallélisation des traitements effectués durant la simulation pour gagner encore un peu plus en temps de calculs. L'idée sous-jacente est de jouer sur ces différents aspects au cours de la simulation par l'emploi de critères mis en place en fonction de l'application.

International audience; In Computer Graphics, physically-based simulation of deformable objects is a current challenge, and many effi-cient models have been developed to reach real-time performance. However, these models are often limited when complex interactions involving topological modifications are required. To overcome this, the key issue is to manage concurrently, and at minimal cost, both the topology and physical properties. Thus, this paper presents a unified topological-physical model for soft body simulation. The complete embedding of physical and topological models will facilitate operations like piercing, fracture or cutting, as well as adap-tive refinement. Indeed, the difficulty is to treat topological changes during the simulation, requiring combined geometric and physics considerations. Rigorous topological operations guarantee the validity of the mesh, while direct access to the adjacent and incident relations will ease the update of physical properties of new elements created during these operations. These features are illustrated on an embedded mass-spring system undergoing topological modifications per-formed during simulation. Different levels of subdivision are also presented.

National audience; La plupart des formations médicales visent à développer chez les stagiaires une articulation des savoirs théoriques et pratiques. La formation in situ est indispensable pour éprouver la théorie, développer la dextérité manuelle, et les capacités de prise de décisions inhérentes à ce type d’activités. Mais la formation actuelle sur le terrain peut comporter des risques pour le patient. Se pose alors la question récurrente en milieu médical d’un lieu de formation qui permettrait la pratique des gestes à risque, sans risque pour le patient et qui présenterait les caractéristiques nécessaires pour développer chez les stagiaires des savoirs opératoires et transférables aux situations réelles. Les systèmes d’entraînement par simulation peuvent être une réponse à ce problème de formation, à condition qu’ils intègrent une réflexion sur les enjeux de la formation et des développements techniques permettant leur réalisation. Nous présentons dans cet article, comment de tels simulateurs doivent être conçus couplant une partie numérique, un dispositif physique et un composant pédagogique.

The topic of this Ph. D. thesis combines high performance computing and virtual reality. We propose parallel computing methods for 3D object animation in computer graphics. We target a cloth simulation with physically-based models. The fundamental law of dynamics are used to model with realism the movement of several objects. Due to the numerical complexity of the models used, a frame needs from one second to several minutes of computation on a single CPU. The goal is to decrease this time by parallelizing the algorithms and by executing them on a SMPs cluster to obtain real time animations. Several integrating methods have been parallelized. When implicit methods are used, linear systems are solved with a Conjugate Gradient method involving a high number of computations with linear algebra operations like multiplication of sparse matrices and vectors. This Ph. D. thesis proposes new efficient parallel algorithmic structures and asynchronous algorithms. This work also validates the approach of the Athapascan parallel programing environment (INRIA-APACHE project) and its dynamic control scheduler for the implementation of soft real time applications. Code coupling has also been experimented between the parallel cloth simulation and the multi display rendering environment Net Juggler. It enables real time multi display cloth rendering through managed communications., Cette thèse combine le calcul haute performance à la réalité virtuelle par son apport de méthodes de calcul parallèle pour l'animation d'objets 3D en synthèse d'image. Son application vise plus particulièrement le domaine de la simulation de textiles par modèles physiques. Les lois fondamentales de la dynamique ont en effet été employées pour modéliser le mouvement de plusieurs objets dans un souci de réalisme. Les modèles employés étant numériquement complexes, le calcul d'une image en séquentiel varie de la seconde à plusieurs minutes suivant la complexité du modèle. L'objectif a été de diminuer ce temps par la parallélisation des algorithmes et l'exécution sur grappes de machines multiprocesseurs afin d'obtenir des animations en temps réel. Différentes méthodes d'intégration des équations du mouvement ont été implantées en parallèle. Dans le cas de l'emploi de méthodes implicites, les opérations coûteuses en calcul proviennent de la résolution de systèmes linéaires par la méthode du Gradient Conjugué impliquant des opérations d'algèbre linéaire de type multiplications de matrices creuses et de vecteurs. Ce projet de thèse a contribué à l'obtention de nouvelles structures algorithmiques parallèles efficaces avec l'obtention d'algorithmes asynchrones. Il a également permis de valider l'approche de l'environnement de programmation parallèle Athapascan (projet INRIA-APACHE) avec la mise au point d'applications avec des contraintes temps réel mou ainsi que le contrôle dynamique de son ordonnanceur. Durant ce projet de thèse, un couplage entre la simulation parallèle de textiles et son affichage utilisant l'environnement de visualisation multi-écrans Net Juggler a également été réalisé en faisant communiquer efficacement ces deux programmes parallèles.

National audience

Ce document présente les notions de mécanique des milieux continus nécessaires à la compréhension du comportement des objets déformables en vue d'effectuer leur simulation. En effet, ces notions sont souvent éparpillées dans la littérature et les notations employées en mécanique diffèrent de celles usuellement em-ployées par les mathématiciens et informaticiens. Je souhaitais ainsi rassembler ces connaissances dans ce document constituant le chapitre 1 de mon HDR.

International audience; The workshop on Virtual Reality Interactions and Physical Simulations (VRIPHYS) is one of the well-established international conferences in the field of computer animation and virtual reality. The goalof this workshop is to attract high-quality research papers in the domains of dynamic simulation andphysical interaction in virtual reality environments. We also welcome papers showing on-going researchwith promising results and new technology with applications of related focus.

International audience; We present an improvement of a unified topological-physical model which permits topological modifications during physical simulation of soft tissues. Our improvement makes the model more generic, efficient and simpler to update. The main principle of our improvement is to associate information to elements of the model, depending on the underlying physical model. Our modification of the architecture enables to easily integrate different physical models. Moreover, topological operations and physical simulations can be factorized between the different physical models. Our solution is more efficient as it leads to simpler modification algorithms after topological alterations with less changes to apply. In this paper, we present our new solution and illustrate its new properties thanks to several experiments performed on two well-known physical models: Mass-Spring System and Tensor-Mass model. The results present a comparison of our solution with the previous one for the cutting topological operation. Moreover, as our model permits to easily compare several physical models, we performed some simulations to reproduce experiments made on real tissues.

Besides the finite element method, the mass- spring discrete modeling is widely used in computer gra- phics. This discrete model allows to perform very eas- ily interactive deformations and to handle quite complex interactions with only a few equations. Thus, it is per- fectly adapted to generate visually correct animations. However, a drawback of this simple formulation is the relative difficulty to control efficiently physically realis- tic behaviors. Indeed, none of the existing models has succeeded to deal satisfyingly with this. Moreover, we demonstrate that the mostly cited technique in the liter- ature, proposed by Van Gelder, is far to be exact in most real cases and its interest is limited to some specific non realistic animations. Here, we propose a new general 2D formulation that reconstructs the geometrical model as an assembly of elementary ”bricks”. Each brick (or el- ement) is then transformed into a mass-spring system, in which edges are springs connecting masses placed on the element vertices. The key point of our approach is the determination of the stiffness constant of each spring to reproduce the correct mechanical properties (Young’s modulus, Poisson’s ratio and shear modulus) of the re- constructed object. We validate our methodology with the help of some numerical experimentation of mechan- ics, like stretching, shearing and loading and then we evaluate the accuracy limits of our approach.

International audience; This chapter focuses on the uterus, a major organ of the female reproductive tract. The uterus is a complex organ due to the evolution of its mechanical properties during the life. These modifications are due to the age, the hormonal changes, the number of pregnancies, and the fact that during any gestation, the size of the uterus is multiplied by more than four. The route of delivery (i.e. vaginal delivery versus cesarean section) may also impact the uterus mechanical properties. All these modifications make that the same woman will have different wombs during her life. Thus, the mechanical properties of the uterus are complex which involves some difficulties to propose an accurate simulation of its mechanical behavior. In this context, we present in this chapter some researches made to simulate the mechanical behavior of the uterus. One of the interest of simulating its mechanical behavior is to improve the knowledge of its attachment system (i.e. ligaments binding the uterus to the pelvis wall). In particular, in this case, the goal is to evaluate damages that could occur during vaginal delivery in order to prevent or to improve treatment of uterine prolapse. The simulation of the mechanical behavior of the uterus could also lead to preventive strategies in order to prevent preterm birth caused by a short cervix. In this case, we have to understand which kind of anatomical changes lead to a cervical shortening. We present two approaches to realize such a numerical simulation of the uterus: the first approach focuses only on the uterus (without considering others organs); the second approach simulates in real-time a vaginal delivery. This latter technique considers all the organs interacting during a childbirth but with a lot of simplifications. The aim is to obtain a correct global behavior and not necessarily an accurate simulation of each organ involved. These two approaches are complementary to achieve realist simulations and to understand the role of each tissue in the pelvic system.

National audience; Le geste de l’insertion de l’aiguille sous échographique constitue un geste médical difficile à acquérir, de part la dextérité nécessaire à la manipulation simultanée de l’aiguille et de la sonde échographique. Dans ce contexte, nous développons un simulateur médical pour l’entrainement à ce geste. Celui-ci nécessite le calcul en temps réel du rendu échographique de la scène 3D. Dans ce papier, nous proposons: (i) une solution temps réel du calcul de la coupe 2D de la scène en utilisant le stencil buffer d’OpenGL ; et (ii) un rendu échographique temps réel de la simulation dynamique en développant une méthode basée sur des textures avec l’ajout des différents effets relatifs à l’emploi d’une sonde échographique.

Ce document présente le modèle mécanique d’une plaque mince. Je présente tout d’abord le cadre théorique de son étude, puis je présenterai les différentes notions permettant d’élaborer une simulation d’une plaque mince sous les hypothèses de petits déplacements et de petites déformations. Nous verrons ainsi l’étude de sa cinématique, la définition de sa déformation en utilisant le tenseur de déformation de Green-Lagrange linéarisé, la définition du tenseur de contraintes, la formulation de la loi de Hooke pour une plaque mince, la définition de son énergie de déformation, et enfin la formulation de l’équation de son mouvement. Ce document constitue le chapitre 2 de mon HDR.

International audience; Besides finite element method, mass-spring discrete modeling is widely used in computer graphics. This discrete model allows to perform very easily interactive deformations and to handle quite complex interactions with only a few equations. Thus, it is perfectly adapted to generate visually correct animations. However, a drawback of this simple formulation is the relative difficulty to control efficiently physically realistic behaviors. Indeed, none of the existing models has succeeded in dealing with this satisfyingly. Here, we propose a new general 3D formulation that reconstructs the geometrical model as an assembly of elementary "bricks". Each brick (or element) is then transformed into a mass-spring system. Edges are replaced by springs that connect masses representing the element vertices. The key point of our approach is the determination of the spring-stiffness to reproduce the correct mechanical properties (Young’s modulus, Poisson’s ratio, bulk and shear modulus) of the reconstructed object. We validate our methodology by performing some numerical experimentations, like shearing and loading, or beam deflection and then we evaluate the accuracy limits of our approach

National audience; La formation médicale a besoin d'être éprouvée par la pratique afin que les médecins s'approprient les gestes médicaux-chirurgicaux à réaliser. Mais la formation directement effectuée sur le patient pose des problèmes éthiques en soumettant le patient à des risques liés à cet enseignement. L'emploi de systèmes d'apprentissage basés sur des simulations permet de palier à ce problème. Nous présentons dans cet article la réalisation d'un simulateur basé sur les techniques de Réalité Virtuelle visant la formation aux gestes médicaux de l'accouchement. Ce simulateur intègre une simulation numérique, temps réel, du comportement des organes de la parturiente (terme employé pour une femme qui accouche) et du fœtus au cours de l'accouchement. Nous verrons ici les étapes de la réalisation de cette simulation.