Mathématiques et robotique contribuent à changer la pratique des chirurgiens. La modélisation biomécanique leur offre d’entrainer leur geste avant une opération délicate, tandis que le fameux robot DaVinci les assiste quotidiennement dans une chirurgie « mini-invasive ». Si les intelligences humaines et numériques commencent à collaborer au bloc opératoire, le jugement et l’expérience humaine restent à ce jour à la fois indispensables et indépassables dans l’acte chirurgical.

Molière se méfiait des médecins de son temps : les remèdes qu’ils proposaient avaient autant de chance de guérir un malade… que de précipiter sa mort ! La figure du praticien vieillissant et imbu d’un savoir dépassé revient dans plusieurs pièces. Ainsi le personnage de Diafoirus dans Le malade imaginaire. Il administre des soins à Argan, un hypocondriaque. Ce dernier rêve de… devenir médecin ! Le tableau final de la pièce le met en scène alors qu’il se présente à l’examen ouvrant les portes de la profession. Aux maîtres de l’université qui l’interrogent sur les remèdes à apporter à toute sorte de maladies, sa réponse est invariablement : « lavement, saignée et purge ». Et si la maladie persiste ? Le même remède ! Ces réponses lui valent les ovations du jury, un chœur enthousiaste à accueillir un nouveau membre digne d’exercer la respectable profession. Pour renforcer la solennité de l’examen, et insister avec humour et ironie sur le ridicule des personnages, Molière écrit en latin…

DEUXIEME MEDECIN – Quels sont les remèdes appropriés à cette maladie que l’on nomme hydropisie (rétention d’eau) ?
CANDIDAT – Pratiquer un lavement, puis une saignée et une purge.
TROISIEME MEDECIN – Quels remèdes pensez-vous adaptés à l’asthme et à la pneumonie ?
CANDIDAT – Pratiquer un lavement, puis une saignée et une purge.
QUATRIEME MEDECIN – Et pour une insuffisance respiratoire, voulez-vous bien me dire, aspirant médecin, ce que vous préconiseriez ?
CANDIDAT – Pratiquer un lavement, puis une saignée et une purge.
CINQUIEME MEDECIN – Et si la maladie persiste, que le patient ne guérit pas, que convient-il de faire ?
CANDIDAT – Pratiquer un lavement, puis une saignée et une purge ; à nouveau uen saignée et une purge…
CHOEUR – Bien, bien, bien ! Il est digne d’intégrer notre savante corporation !

La médecine que raille Molière n’est pas celle du XXIème siècle : comme d’autres sciences, elle a rompu avec Diafoirus par des approches innovantes. Elle évolue en rapport avec d’autres domaines de recherches et de connaissances, et bénéficie des apports de nouvelles techniques. Celles des mathématiques appliquées et du numérique prolongent des connaissances accumulées par les médecins depuis longtemps.

Le médecin et le mécanicien

La technique des éléments finis, particulièrement adaptée à la mécanique en général, contribue à élaborer des modèles du comportement du corps humain, dont la complexité échappe à la standardisation. L’unicité de ce dernier fait en partie sa beauté… et la difficulté à en proposer un modèle mécanique. Afin d’être utilisés à la préparation d’une opération, les simulations doivent donner des résultats les plus précis possibles (et dans certaines situations, avec des temps de calcul les plus courts possibles). Leurs contraintes sont nombreuses : il s’agit en particulier de produire un modèle exploitable par des praticiens, soumis aux impératifs de l’urgence. Les chercheurs en biomécanique proposent des simulations fondées, d’une part, sur la génération rapide de maillages, pour un modèle spécifique à chaque patient, adapté à sa morphologie et, d’autre part, des méthodes de calcul rapide, proches du temps réel, permettant par exemple des simulations interactives.

Modéliser le corps humain contribue à le comprendre et à le soigner. Les lois de comportement mécanique des tissus vivants sont complexes et les caractéristiques d’élasticité dépendent de chaque patient : muscles, graisses, tendons, cartilages réagissent très différemment lorsque des contraintes externes leurs sont appliquées. Les parties rigides du corps, le squelette principalement, subissent de petites déformations quand les organes peuvent se déformer de façon plus conséquente. Selon les objectifs recherchés, les modèles se fondent sur des lois élastiques, valables par exemple dans le but de décrire la résistance des os, ou visco-élastiques, adaptées pour les déformations du foie par exemple. Dans ces cas, les modèles sont non-linéaires et leur calcul devient rapidement complexe et coûteux…

Quelles solutions sont proposées par les mécaniciens pour surmonter ces
difficultés ? Des algorithmes capables de produire rapidement des modèles adaptés à chaque patient, en identifiant les différentes parties anatomiques (surface de la peau, os, graisse, muscles, etc.). Agglomérant les données d’imagerie (scanner, IRM) de la partie du corps concernée, un modèle de calcul peut être produit en quelques minutes. Avec un outil de calcul, il est alors possible d’évaluer un état de contrainte dans un muscle ou une partie du corps. Et d’anticiper, prévenir et soigner une douleur de contact, ressentie lorsque l’on pose un pied fragilisé sur le sol, par exemple.

Chaque organe, chaque membre de notre corps a un fonctionnement unique et interagit en même temps de différentes façons avec les autres. Les interactions mécaniques sont les plus simples, les interactions biologiques ou physiologiques plus complexes. La modélisation demande de bien les comprendre ! Caractériser les organes vivants est ainsi l’un des enjeux cruciaux en biomécanique. Les chercheurs collaborent par exemple dans le but de constituer des bases de données et de connaissances utiles à leur pratique – en particulier pour choisir les lois de comportement adaptées à la modélisation de chaque organe vivant.

D’autres techniques numériques, ayant recours plus ou moins directement à la simulation mécanique, servent la pratique des chirurgiens. À partir des données d’imagerie médicale, des modèles spécifiques à chaque patient peuvent être reconstruits. En deux dimensions, sur un écran, ou par impression 3D : dans les deux cas, une simulation par image ou sur un organe synthétique permet alors au chirurgien de préparer une opération délicate, de visualiser les conséquences d’un geste sur l’organe opéré et de choisir un mode d’intervention adapté au patient et à sa pathologie.

Le chirurgien et le robot

Préparer le geste et le réaliser… à l’aide d’un robot. Le métier de chirurgien connaît des évolutions constantes, comme en témoigne un praticien en chirurgie thoracique et vasculaire au CHU de Rouen :

« La robotique a fait son apparition en chirurgie il y a une dizaine d’année. Lorsqu’elle est pratiquée, elle rend possible des interventions ‘mini-invasives’, ciblées sur la région à opérer. Plus sûre et plus efficace que la chirurgie ouverte, elle améliore les résultats d’opérations délicates et complexes, simplifie les soins et de limite les éventuelles complications post-opératoires. Elle offre au patient la perspective d’une meilleure qualité de vie après une intervention. »

Le chirurgien opérant à l’aide d’un robot visualise la zone d’intervention en 3D et pilote les instruments avec autant de dextérité que dans une procédure de chirurgie ouverte. Un second chirurgien l’assiste dans l’opération – et peut prendre le relais en cas de défaillance (très peu probable) du robot. La pratique exige une très bonne coordination des équipes médicales (chirurgiens, anesthésistes, infirmières et infirmiers) et les praticiens qui la développent attachent autant d’importance aux compétences techniques qu’humaines de leurs équipes.

Demain, le système pourra intégrer des fonctionnalités de communication : le chirurgien pourra se connecter avec d’autres experts dans le monde qui pourront suivre une opération et échanger sur la meilleure option à prendre en cours d’intervention.
Plus d’une centaine de robots équipent les salles d’opérations des hôpitaux français.

« Même si cette technique ne constitue pas à ce jour la majorité des interventions pratiquées quotidiennement, la France est l’un des pays européens les plus équipés de robots. Notre système d’organisation des soins a contribué au développement de cette technique. Celle-ci prend du temps et les investissements matériels actuels sont conséquents : un robot coûte près d’un million d’euros et une opération assistée par robot demande autant de temps que trois opérations classiques. Malgré ses limitations actuelles, elle s’affine, en particulier avec l’implication de jeunes chirurgiens qui se forment à sa pratique. »

La robotique est devenue une technique numérique dont le développement semble de nos jours sans borne. Les robots acquièrent continûment de nouvelles qualités mécaniques et deviennent capables de prouesses fascinantes, et que nous découvrons par exemple sur de nombreuses vidéos en ligne sur Internet – un bras articulé joue au ping-pong, un corps animé fait des bonds de gymnaste… Les témoignages de praticiens pondèrent cependant notre enthousiasme actuel sur la vitesse de développement de la robotique et sa possible généralisation conduisant à remplacer l’intégralité des compétences humaines :

« Les machines battent l’homme dans l’exercice de jeux qui étaient encore récemment de sa suprématie… Mais à ce jour, nous ne sommes toujours pas parvenus à rendre un robot totalement autonome dans l’exercice de gestes demandant une très grande dextérité. Certains chirurgiens opèrent à l’aide d’un robot et il n’est pas envisageable pour eux de remplacer l’humain dans cette pratique. La variété des situations rencontrées au bloc opératoire et la capacité de l’humain à s’y adapter et à prendre des décisions fondées sur son expérience est à ce jour irremplaçable. »

Appelés à devenir un standard dans les prochaines décennies, les outils innovants qui assistent un chirurgien ne font pas oublier que, lorsqu’il s’agit de réparer les vivants, rien ne remplace à ce jour l’expérience humaine, assistée ou non de modélisation.

Vincent Luboz, Antoine Perrier, Marek Bucki, Bruno Diot, Francis Cannard, Nicolas Vuillerme, Yohan Payan – Influence of the calcaneus shape on the risk of posterior heel ulcer using 3D patient-specific biomechanical modeling. Annals of Biomedical Engineering, 43, 325-335, 2015.

Yohan Payan, Jacques Ohayon – Biomechanics of Living Organs: Hyperelastic Constitutive Laws for Finite Element Modeling. Academic Press, 2017.

Yohan Payan – Biomécanique pour les gestes assistés par ordinateur. Techniques de l’Ingénieur, Dossier n°MED-8200, 2014.