Modèles déformables basé sur la physique utilisant des nœuds à 6 degrés de liberté : application à la simulation de tissus conjonctifs et au contrôle de robots déformables

La simulation médicale est un domaine de recherche de plus en plus actif. Malgré les avancées observées ces dernières années, le modèle complet du patient virtuel reste un objectif ambitieux. Il existe encore de nombreuses opportunités de recherche, notamment concernant la modélisation mécanique des conditions aux limites. Jusqu'à présent, la majorité des travaux était consacrée à la simulation d'organes, ces derniers étant généralement simulés seuls. Cette situation pose problème car l'influence des organes environnants sur les conditions aux limites est négligée. Ces interactions peuvent être complexes, impliquant des contacts mais aussi des liaisons mécaniques dues aux tissus conjonctifs. Ainsi, les influences mutuelles entre les structures anatomiques sont souvent simplifiées, diminuant le réalisme des simulations. Cette thèse visé à étudier l'importance des tissus conjonctifs, et plus particulièrement d'une bonne modélisation des conditions aux limites. Dans ce but, le rôle des ligaments lors d'une intervention chirurgicale par laparoscopie a été étudié. Afin d'améliorer le réalisme des simulations, un modèle mécanique dédié aux tissus conjonctifs, basée sur la mécanique des milieux continus et un ensemble de nœuds à 6 degrés de liberté a été développée. En outre, les travaux sur les tissus conjonctifs ont donné lieu à la mise au point d'une méthode de modélisation utilisée dans le cadre des robots déformables. Cette méthode permet un contrôle précis, et temps-réel, d'un bras robotisé déformable. L'utilisation de nœuds orientables a donné lieu à un modèle à nombre de degrés de liberté réduit, permettant de reproduire le comportement de structures plus complexes.Despite the promising advances done in medical simulation, the complete virtual patient’s model is yet to come. There are still many avenues for improvements, especially concerning the mechanical modeling of boundary conditions.So far, most of the work has been dedicated to organs simulation, which are generally simulated alone. This raises a real problem as the role of the surrounding organs in boundary conditions is neglected. However, these interactions can be complex, involving contacts but also mechanical links provided by layers of soft tissues known as connective tissues. As a consequence, the mutual influences between the anatomical structures are generally simplified, weakening realism of simulations.This thesis aims at studying the importance of the connective tissues, and especially of a proper modeling of the boundary conditions. To this end, the role of the ligaments during laparoscopic liver surgery has been investigated. In order to enhance the simulations’ realism, a mechanical model dedicated to the connective tissues has been worked out. This has led to the development of a physically-based method relying on material points that can, not only translate, but also rotate themselves. The goal of this model is to enable the simulation of multiple organs linked by complex interactions.In addition, the work on the connective tissues model has been derived to be used in soft robotics. The principle of relying on orientable material points has been used to developed a reduced model that can reproduce the behavior of more complex structures. The objective of this work is to provide the means to control – in real-time – a soft robot made of a deformable arm