Modélisation 3D du rachis scoliotique : fusion de données et personnalisation expérimentale

3D modeling of the scoliotic spine : data fusion and experimental customization

• Auteur / Autrice : Jean-Charles Gesbert
• Direction : Lalaonirina R. Rakotomanana, Philippe Violas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 10/07/2014
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche mathématique (Rennes ; 1996-....) - Institut de Recherche Mathématique de Rennes / IRMAR

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Corsets orthopédiques

Modélisation tridimensionnelle

Scoliose

Mots clés libres

Scoliose

Rachis

Corset orthopédique

Mesure de pression

Paramètres vertébraux

Modélisation 3D

Scoliosis

Spine

Orthopedic brace

3D reconstruction

Pressure measurement

Vertebral parameters

Résumé

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un projet de recherche translationnel visant à améliorer la conception des corsets orthopédiques de traitement de la scoliose par la mise en place, par méthode inverse, d'un modèle biomécanique global, simplifié et personnalisé, propre au tronc de chaque patient scoliotique. Ils constituent la première étape de ce projet, à savoir, développer et mettre en œuvre des techniques, outils et protocoles permettant, d'une part, la construction d'un modèle géométrique 3D de la surface externe et des éléments internes du tronc du patient à partir de radiographies bi-planes issues d'un équipement standard et du système Model Maker (Proteor), et d'autre part, la mesure des pressions exercées par le corset ainsi que leur recalage sur les géométries reconstruites. Des reconstructions géométriques 3D du tronc avec et sans corset ainsi que des mesures de pressions ont été réalisées pour 11 patients. La conception d'un unique dispositif de calibration associé à un protocole spécifique permet l'acquisition des différentes données quasi sans déplacements du patient. Sa facilité de transport, d'installation et son faible coût, associés à un temps d'acquisition ne pénalisant pas le confort du patient, rendent envisageable son utilisation en routine clinique. L'utilisation de modèles géométriques paramétriques, associée à des équations de prédiction des paramètres anatomiques, permet d'obtenir une initialisation rapide des géométries des éléments internes du tronc à partir d'un nombre réduit de points anatomiques à numériser. Les mesures de la pression exercée par le corset, effectuées à l'aide d'un dispositif innovant muni de capteurs entièrement réalisés en fibres textiles lui permettant d'épouser parfaitement les courbes anatomiques, ont mis en avant les variations de correction, non négligeables, qu'entraînent la modification de la position du patient.

This thesis is a part of a translational research project to improve scoliosis orthopedic brace design through the use, by inverse method, of a simplified and personalized comprehensive biomechanical model for each scoliotic patient’s trunk. It represents the first step of this project, namely, to develop and to implement methods, tools and protocols allowing, on one hand, 3D reconstruction of the external shape and internal components of patient’s trunk from biplanar X-rays (performed with a standard device) and the Model Maker system (Proteor), and on the other hand, measurements of the pressure infered by the brace and their registration on the reconstructed geometry. 3D modeling of the trunk with and without brace as well as pressure measurement were carried out on 11 patients. The development of a common calibration device associated to a specific protocol allows data acquisition nearly without displacements of the patient. Its ease of transportation, installation and a low cost associated with an acquisition time which not penalize the patient’s comfort make possible its use in clinical routine. The use of parametrics geometrical models associated with prediction equations of anatomical parameters provides fast initialization of the geometries of trunk’s internal elements from a reduced number of anatomical landmarks to digitize. Measurements of the pressure infered by the brace, performed thanks to an innovative device made of pressure-sensitive textile fibers allowing it to perfectly fit anatomical curves, have highlighted significant correction variations according to the patient’s position.