Améliorer la gestion et l’organisation des blocs opératoires est une tâche critique dans les hôpitaux modernes, principalement à cause de la diversité et l’urgence des activités impliquées. Contrairement à l’aviation civile, qui a su optimiser organisation et sécurité, le management de bloc opératoire est plus délicat. Le travail ici présenté abouti au développement et à l’installation de nouvelles technologies assistées par ordinateur résolvant les problèmes quotidiens des blocs opératoires. La plupart des systèmes existants modélisent le flux chirurgical et sont utilisés seulement pour planifier. Ils sont basés sur des procédés stochastiques, n’ayant pas accès à des données sûres. Nous proposons une structure utilisant un modèle multi-agent qui comprend tous les éléments indispensables à une gestion efficace et au maintien de la sécurité dans les blocs opératoires, allant des compétences communicationnelles du staff, au temps nécessaire à la mise en place du service de nettoyage. Nous pensons que la multiplicité des ressources humaines engagées dans cette structure cause des difficultés dans les blocs opératoires et doit être prise en compte dans le modèle. En parallèle, nous avons construit un modèle mathématique de flux d’air entre les blocs opératoires pour suivre et simuler la qualité de l’environnement de travail. Trois points sont nécessaires pour la construction et le bon fonctionnement d’un ensemble de bloc opératoire : 1) avoir accès au statut du système en temps réel grâce au placement de capteurs 2) la construction de modèles multi-échelles qui lient tous les éléments impliqués et leurs infrastructures 3) une analyse minutieuse de la population de patients, du comportement des employés et des conditions environnementales. Nous avons développé un système robuste et invisible qui permet le suivi et la détection automatique d’événements dans les blocs. Avec ce système nous pouvons suivre l’activité à la porte d’entrée des blocs, puis l’avancement en temps réel de la chirurgie et enfin l’état général du bloc. Un modèle de simulation numérique de mécanique des fluides de plusieurs blocs opératoires est utilisé pour suivre la dispersion de fumée chirurgicale toxique, ainsi qu’un modèle multi-domaine qui évalue les risques de propagation de maladie nosocomiale entre les blocs. La combinaison de ces trois aspects amène une nouvelle dimension de sensibilisation à l’environnent des blocs opératoires et donne au staff un système cyber-physique capable de prédire des événements rares impactant la qualité, l’efficacité, la rentabilité et la sécurité dans l’hôpital. / Improving operating room management is a constant issue for modern large hospital systems who have to deal with the reality of day to day clinical activity. As opposed to other industrial sectors such as air civil aviation that have mastered the topic of industry organization and safety, progress in surgical flow management has been slower. The goal of the work presented here is to develop and implement technologies that leverage the principles of computational science to the application of OR suite problems. Most of the currently available models of surgical flow are used for planning purposes and are essentially stochastic processes due to uncertainties in the available data. We propose an agent-based model framework that can incorporate all the elements, from communication skills of the staff to the time it takes for the janitorial team to go clean an OR. We believe that human factor is at the center of the difficulty of OR suite management and should be incorporated in the model. In parallel, we use a numerical model of airflow at the OR suite level to monitor and simulate environment conditions inside the OR. We hypothesize that the following three key ingredients will provide the level of accuracy needed to improve OR management : 1) Real time updates of the model with ad hoc sensors of tasks/stages 2) Construction of a multi-scale model that links all key elements of the complex surgical infrastructure 3) Careful analysis of patient population factors, staff behavior, and environment conditions. We have developed a robust and non-obtrusive automatic event tracking system to make our model realistic to clinical conditions. Not only we track traffic through the door and the air quality inside the OR, we can also detect standard events in the surgical process. We propose a computational fluid dynamics model of a part of an OR suite to track dispersion of toxic surgical smoke and build in parallel a multidomain model of potential nosocomial contaminant particles flow in an OR suite. Combining the three models will raise the awareness of the OR suite by bringing to the surgical staff a cyber-physical system capable of prediction of rare events in the workflow and the safety conditions.

Le but de ce travail était la mise en place d’une chaîne méthodologique de planification virtuelle d’une ostéotomie sagittale des branches mandibulaires (OSBM) et son transfert au bloc opératoire. Dans la première partie, les méthodes classiques de planification et de transfert sont exposées. Habituellement réalisées à partir de modèles en plâtre sur articulateur, la planification et la production de guides occlusaux chirurgicaux souffrent d’une imprécision potentiellement à l’origine de troubles fonctionnels temporo-­‐mandibulaires. Le contrôle per-­‐opératoire du condyle mandibulaire lors de l’OSBM est un élément de stabilité squelettique dont dépend la qualité du résultat fonctionnel. Une évaluation des pratiques professionnelles des chirurgiens maxillo-­‐faciaux a été réalisée sur ce point. Une méthode de positionnement condylien utilisant un dispositif, moins fréquemment utilisée que la méthode empirique, est proposée comme présentant le meilleur rapport bénéfice/risque. Cette méthode a été reproduite virtuellement à travers les différents maillons de la chaîne méthodologique. Des techniques innovantes informatisées d’acquisition, de conception et modélisation, et d’impression en 3 dimensions ont été utilisées. Dans la seconde partie, la méthodologie de chacun des maillons de la chaîne a été présentée et évaluée, soit sur sujets cadavériques, soit sur patients. L’objectif était de démontrer la faisabilité de la chaîne. Le maillon « acquisition et extraction de surface » a mis en exergue le problème des artéfacts dus aux matériaux métalliques dentaires ou orthodontiques. Dans 90% des cas le maillage obtenu était satisfaisant, permettant de s’affranchir des modèles en plâtre. Le maillon « planification chirurgicale virtuelle » a montré une valorisation par rapport à la technique classique en terme de prévention des interférences des pièces osseuses déplacées. Le maillon « modélisation et impression du guide chirurgical » a décrit les étapes d’invention d’un guide de positionnement occlusal et condylien (OCPD : occlusal and condylar positionning device). Ses caractéristiques techniques, ses modalités de production par impression 3D ainsi que son utilisation peropératoire, ont été précisées. Enfin le maillon « évaluation de l’OCPD » a permis de montrer la faisabilité de la méthode et l’équivalence clinique, technique et biologique de ce dispositif médical sur mesure par rapport à ceux utilisés dans la méthode classique. Enfin le positionnement condylien obtenu grâce à ce dispositif a été évalué de manière préliminaire et comparé aux données de la littérature. Grâce à l’OCPD, nous avons montré la possibilité de transférer au bloc opératoire la planification virtuelle d’une OSBM contrôlant la position des condyles / The purpose of this work was the implementation of a methodological chain for bilateral sagittal split osteotomy (BSSO) virtual planning and its transfer in the operating room. In the first part of the work, usual methods for planning BSSO are exposed. Usually realized from plaster models on articulator, the planning and the occlusal surgical guides production are at risk of temporo-­‐mandibular functional disorders. The quality of the functional result depends on the correct positioning of the mandibular condyle, considered as a skeletal stability element. An assessment of the maxillofacial surgeons practices was realized regarding intra-­‐operative condyle positioning. Using a condylar positioning device (CPD),less frequently employed than the empirical method, meets an acceptable benefit/risk balance. This method was virtually reproduced through various steps of the methodological chain described. Computerized innovative techniques for three-­‐dimensional acquisition, design and manufacturing were used. In the second part of the work, the methodology of each step of the chain was presented and estimated, either on cadaveric subjects, or on patients. The aim was to demonstrate the feasibility of the whole chain. The “acquisition and surface extraction” step pointed the issue of artefacts due to dental or orthodontic metallic devices. Ninety % of the obtained meshes were satisfactory, allowing not to use plaster models. The “virtual surgical planning” step allowed reproducing the usual method and showed great interest in bone interferences prevention. The “modelling and printing of the surgical guide” step described the stages of occlusal and condylar positioning device (OCPD) invention. Its technical characteristics, its methods of manufacturing by 3D printing, and its intraoperative use were specified. The step “OCPD evaluation” showed the method feasibility and the clinical, technical and biological equivalence of this custom-­‐made medical device as compared to those used in the usual method. Finally the condylar position obtained with this device was estimated in a preliminary clinical study and compared with the literature. Thanks to the OCPD, we showed the possibility of transferring in the operating room an OSBM virtual planning controlling condyles position.