Soutenances :

Soutenance de Thèse de Charles Barnouin: 7 mai 2020

Soutenance de Thèse de Elsa Fléchon: 9 décembre 2014

Soutenance de Thèse de Xavier Faure: 29 septembre 2014

Soutenance de Thèse de Francisco Galdames: 30 janvier 2012 !

Supervised PhD Students

Bastien SAILLANT (PhD 10/2023 - ????) Simulation d’insertion d’aiguille dans des objets déformables pour la conception d’un simulateur d’apprentissage du geste de la ponction écho-guidée
Co-encadrement : G. Damiand et F. Zara, projet SPARTE

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’un simulateur médical pour l’apprentissage de l’insertion d’aiguille sous échoguidage. Plébiscité par les formateurs en rhumatologie, ce type de dispositif offre une alternative au compagnonnage, et permet de diversifier les cas d’étude sans risque pour le patient. L’apport de l’haptique et de la Réalité Virtuelle est primordial pour une sensation d’immersion, et ainsi produire un meilleur transfert du geste du simulateur vers la salle d’opération. Dans ce contexte, la qualité de la déformation des organes de la scène 3D sous l’action de l’aiguille et de la sonde échographie est au cœur du problème, et va conditionner le réalisme final. Par contre, les modèles actuels de déformation ne sont pas assez précis pour être utilisés dans un simulateur où un grand niveau d’interactivité est également requis. L’enjeu de la thèse concerne ainsi clairement l’optimisation du calcul de la déformation avec la mise en place de nouvelles méthodes génériques de simulation et de gestion de la collision sur architecture parallèle (type GPU). Les aspects d’optimisation du modèle (adaptation de la géométrie ou de l’espace du modèle le long de l'aiguille sans connaissance de la trajectoire a priori) et éventuellement, l’utilisation de modèles prometteurs dits sans maillage, seront particulièrement étudiés. À noter que la validation des modèles proposés durant la thèse sera réalisée en collaboration avec notre partenaire médical (Hôpital Lyon Sud).
Mots-clés: Informatique graphique, simulation bio-mécanique, GPU, simulateur médicaux.

Former PhD Students

Charles BARNOUIN (PhD 10/2016 - 05/2020) Outil pédagogique de la ponction des grosses articulations sous échographie
Co-encadrement : F. Zara, projet SAMSEI

Grace aux avancées technologiques, le geste de la ponction des grosses articulations a grandement évolué ces dix dernières années avec l’utilisation d’une sonde échographique. Ainsi, guidé par l’image échographique (qui est reportée sur un écran) et par le ressenti tactile, l’opérateur adapte son geste lors de l’insertion de l’aiguille pour atteindre l’articulation. La principale difficulté réside ainsi dans la manipulation simultanée de deux instruments : une main est employée pour la sonde échographique et l’autre pour l’aiguille avec des changements possibles d’une main à l’autre durant le geste.
Dans ce contexte, notre projet vise la réalisation d’un simulateur d’apprentissage du geste de la ponction de grosses articulations sous échographie, dont l’objectif est de faciliter l’apprentissage de ce geste sans risque pour le patient. Ce simulateur combinera une simulation numérique à un dispositif haptique. Pour la conception de ce simulateur, une étude métier sera conduite en amont pour analyser et comprendre l’apprentissage du geste réel, et définir ainsi les éléments nécessaires du simulateur du point de vue de la simulation numérique et du dispositif haptique. Il s’agira également de proposer différents scénarios pertinents pour l’apprentissage et d’évaluer le niveau de réalisme nécessaire pour l’apprentissage.
La réalisation de ce simulateur innovant permettra ainsi de traiter indifféremment plusieurs types d’articulation et différentes pathologies. À terme, il pourra aussi permettre la recherche d’une solution optimale mécanique de « conduite » de l’aiguille de ponction. Il s’affranchira ainsi de l’utilisation de mannequins anthropomorphiques, grâce à un environnement immersif de réalité augmentée.
Mots-clés: Informatique graphique, réalité augmentée, simulation bio-mécanique, GPU, dispositifs haptiques, simulateur médicaux.

Elsa FLÉCHON (PhD 10/2011 - 12/2014) Définition d’un modèle unifié pour la simulation physique adaptative avec changements topologiques
Co-encadrement : F. Zara et G. Damiand

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la simulation physique. Nous nous sommes intéressés à l’élaboration d’un modèle unifié couplant un modèle physique basé sur un système masses-ressorts, à un modèle topologique de type cartes combinatoires.
Ce modèle unifié permet la simulation physique d’objets déformables tout en réalisant, pendant cette simulation, des changements topologiques comme la découpe, le perçage ou encore le raffinement adaptatif du maillage. Pour réaliser ce dernier, nous proposons un raffinement local, consistant en 2D (resp. 3D) à la subdivision d'un quadrangle en quatre sous-quadrangles (resp. d'un hexaèdre en huit sous-hexaèdres). Notre méthode de raffinement adaptatif du maillage est effectuée en fonction de critères géométriques établis, permettant de répondre à une problématique inhérente à la simulation d'objets déformables : améliorer le gain entre la précision de la simulation par rapport à son temps de calcul. En effet, un raffinement adaptatif permet de débuter la simulation avec un maillage grossier et de le raffiner localement aux endroits le nécessitant et au moment où il est requis (relativement à un critère). Une méthode de dé-raffinement permettant la découpe d'un maillage adaptatif a également été réalisée.
Ces travaux ont donné lieu à une publication dans la conférence WSCG (International Conference on Computer Graphics) en 2013 et une publication dans le workshop VRIPHYS (Workshop on Virtual Reality Interaction and Physical Simulation) en 2014.
En terme de développement, nous avons réalisé un framework permettant la simulation physique d’objets déformables. Ce framework inclut la librairie d'algorithmes géométriques : CGAL (Computational Geometry Algorithms Library). Cette librairie nous offre une implémentation du modèle topologique des cartes combinatoires et plus précisément celui des complexes cellulaires linéaires.

Xavier FAURE (PhD 10/2010 - 09/2014) Approche formelle pour la simulation interactive de modèles mixtes"
Co-encadrement : F. Zara, J.-M. Moreau

La simulation interactive du corps humain est un problème crucial en informatique médicale. Les approches sont multiples pour arriver à cet objectif. Diminuer le temps de calcul est le leitmotiv d'un grand nombre de travaux ces dernières années. Pour les recherches qui utilisent des modèles physiques inspirés de la Mécanique des Milieux Continus pour la simulation des objets déformables, ce sont principalement les forces internes et leurs dérivées qui font l'objet d'études pour l'amélioration des performances au niveau du temps de calcul.
Nous avons choisi de développer la Méthode des Masses-Tenseurs, modèle physique souvent utilisé pour son bon compromis temps de calcul-précision. Notre première contribution est l'utilisation du calcul formel pour la génération des équations des forces internes et de leurs dérivées. Notre deuxième contribution est la parallélisation de ce modèle physique en calculant les équations générées sur le GPU. Notre troisième contribution est l'extension de ce modèle physique à d'autres types d'éléments : triangle, quandrangle, hexaèdre, prisme et pyramide.
Tenir compte des déformations pour utiliser la loi de comportement la plus efficace en temps de calcul lorsque c'est possible, est une stratégie que nous avons mis en place. Dans la même idée, nous prenons en compte la géométrie du modèle à simuler pour utiliser des éléments plus complexes mais en nombre réduit. Pour utiliser ces stratégies, nous avons développé et utilisé des modèles mixtes en loi de comportement et en type d'éléments. Nos travaux se placent dans le contexte du projet ETOILE pour le développement d'un modèle biomécanique du système respiratoire.

Leonardo CAUSA (PhD 10/2008 - ) "Modélisation de la déformation du diaphragme et traitement des signaux respiratoires pour un modèle de poumon"
Coopération U. de Chile, Santiago (CL), C. Held

The LIRIS-SAARA team has a great experience on computer graphics simulation and has been working for a long time on developing thorax and pulmonary models. The purpose of this thesis is to incorporate electrophysiological variables involved in the respiratory process, using signal and image processing and analysis tools to correlate this information with the mechanical aspects of the process. The aim of this work is to incorporate information provided for a “physiological model”, including: 
    1. Diaphragm deformation, based on the electrical activity of this muscle measured by electromyography (EMG) and electrical or magnetic stimulation of phrenic nerve.
    2. Variation of volume and pressure during RC, measured using spirometry, plethysmography, or extracted from medical image and manometry (mouth and esophageal pressures).
    3. Airway features (resistance) and lung elasticity (compliance), deduced using volume-pressure curves.

Finally, we expect to guide a 3D respiratory model combining biomechanical and electrophysiological behaviors. In addition, signal processing and analysis tools development will be adapted to be applied to polysomnographic recordings to classify sleep states and stages and sleep patterns detection. This latter work will be realized within the framework of the collaboration with U. de Chile and some Chilean public hospitals.
Keywords: Breathing Model, Moving Target, Biomechanical Modeling, Deformable Model, Hadrontherapy.

Francisco GALDAMES (PhD 11/2007 - 01/2012) "Segmentation d'Images IRM du Cerveau pour la Construction d'un Modèle Anatomique destiné à la Simulation Bio-Mécanique"
Coopération : TIMC-IMAG, Y. Payan & U. de Chile, Santiago (CL), C. Pérez

The general problem that motivates the work developed in this thesis is: how to obtain anatomical information during a neurosurgery? Magnetic Resonance (MR) images are usually acquired before the surgery to provide anatomical information for diagnosis and planning. To make these images useful inside the operating room, a registration between them and the patient's position has to be processed. The problem is that the brain suffers deformations during the surgery, in a process called brainshift, degrading the quality of registration.
Mechanical models of the brain have been developed as a solution to improve this registration. They allow to  estimate brain deformation under certain boundary conditions. However, a patient specific anatomical model is always required. Currently, most mechanical models obtain the associated anatomical model by manual or semi-manual segmentation. The aim of this thesis is to propose and implement an automatic method to obtain a model of the brain fitted to the patient's anatomy and suitable for mechanical modeling.
The implemented method uses deformable model techniques to segment the most relevant anatomical structures for mechanical modeling. Indeed, the internal membranes of the brain are included: falx cerebri and tentorium cerebelli. Even though the importance of these structures is stated in the literature, only a few of publications include them in the model. The segmentation obtained by our method is assessed using the most used online databases. In addition, a 3D model is constructed to validate the usability of the anatomical model in a Finite Element Method (FEM). And the importance of the internal membranes and the variation of the mechanical parameters is studied.
Keywords: Brain-Shift, MRI Brain Segmentation, Finite Element Method (FEM), Biomechanical Modeling, Simplex Mesh, Deformable Model.

Vincent BAUDET (PhD 02/2002 - 06/2006) "Modélisation et simulation paramétrable d'objets déformables. Application aux traitements des cancers pulmonaires."
Co-encadrement : B. Shariat

Ionising treatment against cancers such as conformal radiotherapy and hadrontherapy are planified with error margins that take into account statistics of tumour motions, for instance. With the Centre against cancers Léon Bérard de Lyon partnership and within the ETOILE project, we are looking for reducing these margins by searching deformable models that would simulate displacements occuring in lungs during a treatment. It must be personalized with the geometry obtained from CT scans of the patient and also it must be parameterized with physiological measures of the patient.
In this Ph. D. thesis, we decided to use a mass-spring system to model lungs because of its fast and physically realist deformations obtained in animation. As a starting point, we chose the model proposed by Van Gelder in order to parameterize a mass-spring system with rheological characteristics of an homogeneous, linear elastic isotrop material in 2D. However, we tested this model and prouved it was false.
Hence we did a lagrangian study in order to obtain a parametric model with rectangular in 2D (cubic in 3D) elements. We also determinated the robustness by testing with stretching, inflating, shearing and bending experiments and also by comparing results with other finite element method.
Thus, in this Ph.D. thesis, we explain how to obtain this parametric model, and how it will be linked to
physiological data and in which accuracy.
Keywords : Deformable models, mass-spring system, Young Modulus, Poisson coefficient, lagrangian, radiotherapy, lung, cancer.

Laurent CHEVALIER (PhD 10/2001 - 07/2004) "Modélisation et indexation d’objets 3D à l’aide de Superellipsoïdes"
Co-encadrement : A. Baskurt

We propose a innovative model to represent a non-organised 3D points set. Based on superquadrics, this model permits to describe the points set with a combination of superellipsoids. Two different methodologies are developed for segmenting and modelling the whole geometric representation: a Region Growing and a Split and Merge one. This latter provides a less sensitive model compared to the first method. The representation is simple and compact, as only 11 parameters are required
per superellipsoid. This seems promising to be used for applications such as 3D compression, or even 3D indexing and retrieval.
Since the relationship between superellipsoids is known, the model could be associated to a graph. Yet, graph theory can be used to compare and measure similarities between 3D objects. This can be advantageously applied for indexation purposes, and some results are exhibited.
Keywords : Computer graphics, 3D segmentation and modelling, Superellipsoids set.

M2 Students

M1 Projects