Classification non-supervisée de morphologies 3D de jambes humaines pour la mise en œuvre de morphotypes adaptatifs de la jambe et de Bas Médicaux de Compression

Unsupervised classification of 3D morphologies of human legs for the implementation of adaptive leg morphotypes and Medical Compression Stockings.

• Auteur / Autrice : Timea Banfalvi
• Direction : Pascal Bruniaux, Kim Phuc Tran
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Informatique, Automatique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : MADIS Mathématiques, sciences du numérique et de leurs interactions
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX - Laboratoire de Génie et Matériaux Textiles

Mots clés

Mots clés libres

Classification non-supervisée et supervisée

Normalisation et descripteur de forme 3d

Morphologie humaine

Système de tailles

Anthropométrie

Mannequin paramétrique

Unsupervised and supervised classification

Normalization and 3d shape descriptor

Human morphology

Size system

Anthropometry

Parametric mannequin

Résumé

Le rôle des BMC (Bas Médicaux de Compression) est de répondre à des exigences médicales explicites et d'autre part aux attentes implicites des patient(e)s. Pour contribuer au traitement par la compression, chaque fonction que procurent les BMC résulte à la fois de la connaissance des impératifs thérapeutiques, de l'implication des patient(e)s dans le traitement et d'un processus méticuleux de réflexion, de conception et d'optimisation des produits. Cette thèse entre dans le cadre d'un projet I-Démo (projet SYMPHONIE) qui a pour objectif la numérisation de l'ensemble du processus de création des BMC en relation avec les effets thérapeutiques qui peuvent être évalués par la simulation du système veineux provenant du jumeau numérique de la jambe. Cette numérisation nécessite en priorité de connaître la morphologie de la jambe du patient et son dimensionnement, de connaître la répartition spatiale de pression apportée par le BMC qui entourera la jambe. Un processus numérique de création de BMC doit alors être mis en place qui requiert 3 modèles de représentation disposés en cascade: * le modèle de la jambe qui se concrétise par le développement de morphotypes adaptatifs de jambe; * le modèle d'aisance qui peut intégrer les notions de confort et de bien aller en contrôlant l'aisance du produit sur le modèle de la jambe. Il est indispensable au processus de modélisation du BMC et à sa validation. * le modèle de BMC représenté par une surface 3D nécessaire au développement du produit, à l'obtention d'une première représentation de la répartition de pressions par un post- traitement spécifique en lien avec la matière, au développement du modèle mécanique du BMC. En ce qui concerne le modèle de jambe, à la date d'aujourd'hui, les jambes ne sont pas classées en tailles selon leurs « spécifications morphologies types » mais se réfèrent seulement à des formes théoriques coniques (spécifications sur les circonférences de cheville, mollet et cuisse ainsi que la hauteur sol/genou et sol/entre-jambe). Il y a donc une différence entre la modélisation théorique d'un membre et la forme anatomique réelle de la jambe où chaque section droite possède sa forme spécifique à chaque personne de façon analogue à la physionomie de l'individu. Il est donc nécessaire d'analyser la morphologie de la jambe sur une large population d'individus afin d'en améliorer la connaissance forme/dimension des patients. Cette étude démarre par la classification des formes 3D de la jambe. L'objectif de ce travail est de définir une méthodologie exhaustive pour obtenir des classes morphologiques caractérisant les formes 3D de la jambe et d'en extraire les morphotypes les plus significatifs pour chaque classe. Une analyse géométrique globale de la forme 3D de la jambe par des techniques de classification non-supervisée sera mise en œuvre sur une base de données relativement large. Cette base de données enregistrera les formes 3D des jambes scannées de la population envisagée. A l'issue de la classification, les morphotypes de jambe de chacune des classes morphologiques seront extraits de la base de données pour obtenir une représentation réaliste de la forme de la jambe. A partir de ces morphotypes, une méthode de conception de jambes adaptatives (morphotypes adaptatifs) sera à mettre en place. Deux types d'ajustement seront à prendre en compte, en fonction du volume et de la hauteur de la jambe, afin de contrôler la morphologie 3D en fonction des individus inclus dans les classes obtenues et à partir d'un système de taille optimisé. Ce travail sera aussi utile au calcul et à la vérification du taillant des BMC. Le développement des morphotypes adaptatifs de jambe s'effectuera en 3 dimensions dans un environnement de CAO industriel. Ces morphotypes adaptatifs de jambe seront l'interface morphologique et dimensionnelle entre le jumeau numérique (thèse 3 associée au projet) et le BMC. Le modèle d'aisance des BMC n'est autre que la distance entre le BMC et la jambe. Cette aisance sera définie ponctuellement à des endroits précis du modèle de la jambe dans différents plans de coupe transversales de celle-ci. Chaque plan de coupe donnera un contour morphologique propre sur lequel seront positionnés les points d'aisance et les lignes d'aisance accrochées à ces points d'aisance afin de gérer la valeur de l'aisance en 3D. Pour prendre en compte l'élasticité du produit, la valeur de l'aisance sera négative donc vers l'intérieur de la jambe. Cette technique a l'avantage de tenir compte de la diminution progressive de la pression du BMC sur la jambe de bas en haut selon les différents besoins thérapeutiques et selon la morphologie de la jambe type. Le modèle de BMC sera développé à partir des données spatiales du modèle d'aisance, c'est-à-dire de l'extrémité des lignes d'aisance. A chaque coupe transverse de la jambe, les extrémités des lignes d'aisance permettront de créer un autre contour représentatif de la coupe transverse du BMC. L'application de ce principe sur toute la jambe engendrera un réseau de contours/courbes sur lequel sera généré une surface représentative du BMC en l'état sans contrainte, mais adaptée à la morphologie du morphotype. Cette méthode devra être appliquée sur les différents morphotypes pour faire face aux différences morphologiques de la population. Ce nouveau processus numérique de création de BMC peut être considéré comme un outil d'aide à la décision du bien aller et de l'effet thérapeutique d'un BMC en agissant directement sur les paramètres du modèle d'aisance. Les paramètres dimensionnels issus du modèle numérique 3D du BMC seront transmis au procédé de fabrication pour la conception réelle du produit. Une étape cruciale sera de reconnaître morphologiquement un nouveau patient afin de l'affecter à sa classe morphologique. Un algorithme de reconnaissance de forme sera envisagé pour rechercher automatiquement le bon morphotype et définir sa taille. Pour cela, il sera nécessaire de définir un moyen de mesure fiable de la morphologie du patient et de définir, voire conseiller le patient, dans la prise de mesure des contours utiles au dimensionnement du produit (paramètres intrinsèques des morphotypes adaptatifs de jambe).

The role of MCSs (Medical Compression Stockings) is to meet explicit medical requirements. In addition, it has to respond to the implicit expectations of patients as well. To contribute to compression therapy, each function that MCSs provide results from a combination of knowledge of the therapeutic imperatives, patient involvement in the treatment, and a meticulous process of reflection, design and product optimization. This thesis is part of an I-Demo project (SYMPHONIE project) which aims to digitize the entire process of creating MCSs in relation to the therapeutic effects which could be evaluated by simulating the venous system from the digital twin of the leg. This digitization requires first and foremost knowing the morphology of the patient's leg, its size and additionally the spatial distribution of pressure provided by the MCS that will surround the leg. A digital MCS creation process must then be set up, which requires 3 representation models: * the leg model which takes form through the development of adaptive leg morphotypes; * the ease model which can combine the notions of comfort and fit by controlling the ease of the product on the leg model, which is essential in the MCS modeling process and its validation; * the MCS model represented by a 3D surface, necessary for the development of the product, for obtaining a first representation of the pressure distribution by a specific post- treatment related to the material, and for the development of the mechanical model of the MCS (thesis 2 associated with this project). Regarding the leg model, as of today, the legs are not classified in sizes according to their 'typical morphology specifications', they are only referred to as theoretical conical shapes (with specifications on ankle, calf and thigh circumferences as well as floor to knee height and floor to crotch height). There is therefore a difference between the theoretical modeling of a limb and the real anatomical shape of the leg where each straight section has its specific shape corresponding to the physiognomy of each individual. It is therefore necessary to analyze the morphology of the leg on a large population of individuals in order to improve the knowledge of the shape/dimension of patients. This study starts with the classification of the 3D shapes of the leg. The objective of this work is to define an exhaustive methodology to obtain morphological classes characterizing the 3D shapes of the leg and to extract the most significant morphotypes for each class. An unsupervised classification technique will be used to implement a global geometric analysis of the 3D shape of the leg to create a relatively large database. This database will record the 3D shapes of the scanned legs of the population under consideration. At the end of the classification, the leg morphotypes of each of the morphological classes will be extracted from the database to obtain a realistic representation of the shape of the leg. Based on these morphotypes, a design method could be set up to create the adaptive legs (adaptive morphotypes).Two types of adjustment will be taken into account, the volume and the height of the leg, in order to control the 3D morphology in terms of the individuals included in the obtained classes and an optimized size system. This work will also be useful for calculating and checking the size of the MCSs. The development of adaptive leg morphotypes will be done in 3 dimensions in an industrial CAD environment. These adaptive leg morphotypes will be the morphological and dimensional interface between the digital twin (thesis 3 associated with this project) and the MCS. The ease model of the MCSs is none other than the distance between the MCS and the leg. This ease will be defined punctually at precise locations of the model of the leg in different cross-sectional planes. Each cutting plane will give its own morphological contour on which the ease points will be positioned and the ease lines attached to these ease points in order to manage the value of the ease in 3D. To take into account the elasticity of the product, the value of ease will be negative, therefore towards the inside of the leg. This technique has the advantage of taking into account the progressive reduction of the pressure of the MCS on the leg from bottom to top according to the different therapeutic needs and according to the morphology of the leg. The MCS model will be developed from the spatial data of the ease model, i.e. the end of the ease lines. At each circumference cut of the leg, the ends of the ease lines will create another contour representative of the respective circumference cut of the MCS. Applying this principle to the entire leg will generate a network of contours/curves on which will be generated a surface representative of the MCS in its unconstrained state, but adapted to the morphology of the morphotype. This method should be applied to all the morphotypes to deal with the morphological differences of the population. This new digital MCS creation process can be considered as a support tool to decide the best fit and therapeutic effect of a MCS by acting directly on the parameters of the ease model. The dimensional parameters issued by the 3D digital model of the MCS will be used in the manufacturing process for the actual design of the product. A crucial step will be to morphologically recognize a new patient in order to assign him/her to his/her morphological class. A shape recognition algorithm will be considered to automatically search for the right morphotype and define its size. For this, it will be necessary to define a reliable means of measuring the morphology of the patient and to advise the patient, in taking measurements of the contours used for sizing the product (intrinsic parameters of the adaptive morphotypes of the leg).