Analyse de la géométrie externe du tronc scoliotique en flexion latérale

Scoliose idopathique -- Topographie de surface du tronc scoliotique -- Indices calculés à partir de la géométrie externe du tronc -- Calcul des courbes géodésiques sur un maillage 3D -- Objectifs du projet -- Protocole d'acquisition de données 3D -- Méthode d'extraction de sections selon la vallée du dos -- Méthodes d'évaluation -- Évaluation qualitative de la méthode d'extraction des sections à partir de la vallée du dos -- Évaluation des asymétries externes et des corrections prostopératoires obtenues avec les deux types de sections extraites sur des troncs scoliotiques -- Évaluation des tests de flexion latérale -- Protocole d'acquisition des données lors des tests de flexion latérale et reconstruction 3D du tronc en posture de flexion -- Extraction des sections selon la méthode proposée -- Analyse des asymétries externes du tronc -- Effet des tests de flexion latérale sur la géométrie externe du tronc

Modélisation physique des tissus mous du tronc scoliotique pour la simulation de l'apparence post-chirurgicale

RÉSUMÉ La scoliose idiopathique de l'adolescence (SIA) est une déformation tridimensionnelle complexe de la colonne vertébrale et de la cage thoracique. Dans le cas de déformation sévère, le recours à la chirurgie correctrice de la colonne vertébrale est requis comme moyen de traitement. Environ un patient sur mille atteint de SIA aura à subir une chirurgie correctrice de la colonne vertébrale. Cependant, dans la plupart des cas, une correction optimale de la colonne vertébrale n'entraine pas nécessairement une correction optimale de l'apparence externe. Une asymétrie du tronc peut persister à l'issue de la chirurgie et cela est difficile à prédire par les chirurgiens. Cela est problématique, car l'apparence externe est un facteur important de satisfaction pour les patients. Il serait intéressant de disposer d'outils d'assistance à la planification de chirurgie pour la scoliose prenant en compte les attentes du patient concernant l'esthétique de l'apparence du tronc. La simulation médicale sur ordinateur est devenue un outil important d'assistance à la prise de décision clinique. Elle est utilisée pour permettre de prédire et analyser les effets de traitements médicaux, ainsi que la prédiction de changements anatomiques dus à l'évolution d'une pathologie. Dans le contexte de la chirurgie pour la scoliose, des simulateurs de chirurgie correctrice de la colonne vertébrale existent. Des modèles biomécaniques pour la simulation de l'instrumentation de la colonne vertébrale en chirurgie de la scoliose ont été développés par différents chercheurs. Toutefois, ceux-ci ne prédisent pas la forme externe du tronc après chirurgie. De cet état des choses, découle la problématique et les objectifs de cette thèse: modéliser le tronc scoliotique en vue de la simulation de la forme postopératoire du tronc, et améliorer la précision des prédictions afin de proposer une stratégie opératoire optimale. La question de recherche abordée dans cette thèse concerne le développement de méthodes pour la simulation et la prédiction de la forme post-opératoire du tronc en chirurgie pour la scoliose. Quatre objectifs spécifiques de recherche ont été définis. La première partie du travail (traitant du premier objectif) a consisté à développer un modèle physique de déformation pour le tronc scoliotique. Contrairement au modèle existant, un nouveau modèle physique de déformation incrémentale est proposé pour tenir compte des grandes déformations du tronc. L'inspection qualitative des surfaces de tronc simulées et réelles montre une bonne approximation de la correction de la gibbosité. L'évaluation quantitative de la simulation est basée sur l'indice de rotation de la surface du dos (indice BSR). Il se définit comme l'angle formé par la double tangente du côté postérieur de chaque section horizontale de la surface du tronc et l'axe passant par les épines iliaques antéro-supérieures (ASIS) projeté sur le plan frontal. Les valeurs d'indices BSR, mesurées à différents niveaux vertébraux, montrent une erreur moyenne de 1.20º (± 0.73) à 3.20º (± 0.83) dans la région thoracique, indiquant un accord entre les troncs prédits et les données réelles. La deuxième partie (regroupant les trois autres objectifs spécifiques) a consisté à améliorer la précision des prédictions. Nous proposons deux méthodes de détermination de formes à priori de tronc postopératoire (soit basé sur une prédiction statistique, soit basé sur une prédiction de type proche voisin). Ces outils exploitent l'intuition de choisir la restriction du champ de déplacement à la frontière du domaine du tronc (la surface externe) comme une première approximation de la déformation du tronc. La réalisation des objectifs de cette recherche est à l'origine de contributions originales à l'état de l'art aussi bien en simulation physique de tissus mous qu'en apprentissage machine pour l'analyse de formes. Ce projet propose une nouvelle méthode de modélisation des déformations de tissus mous du tronc scoliotique pour la simulation de l'apparence postopératoire. Cette méthode présente, ainsi, l'avantage de constituer un outil pour les systèmes de planification par ordinateur de traitement chirurgical de la scoliose. En perspective, des études complémentaires sont suggérées pour surmonter certaines limitations des méthodes proposées. En particulier, l'incorporation d'un modèle du tronc obtenu par une fusion multimodale d'images (IRM/RX/TOPO) de patients scoliotiques, pour une meilleure personnalisation géométrique, devrait conduire à une amélioration de la précision de la simulation.----------ABSTRACT Adolescent Idiopathic scoliosis (AIS) is a complex three-dimensional deformation of the spine and rib cage. In case of severe spine deformity, a spine surgery is required as a treatment. Approximately one in a thousand patients suffering from AIS will have a spine surgery. However, in most cases, an optimal correction of the spine does not necessarily results in an optimal correction of the external appearance. A trunk asymmetry may persist after surgery and it is difficult to predict by surgeons. This is problematic because the external appearance is one of the most important factor for the patient satisfaction. It would be interesting to have available computer based scoliosis surgery planning assistance tools that takes into account the expectation of the patient regarding the aesthetics of the trunk appearance. Computer based medical simulation is becoming an important tool to support clinical decision making. It is used to predict and analyze the effects of treatments, as well as the predictions of changes due to pathology evolution. In the context of scoliosis surgery, spine correction surgery simulators exist. Biomechanical models for the simulation of the spine instrumentation in scoliosis surgery have been developed by different researchers. However, they do not simulate the postoperative appearance of the trunk. From this observation arise the problem and objectives of this thesis: modeling the scoliotic trunk in order to simulate the postoperative trunk shape, and improve predictions accuracy in order to propose an optimal surgery strategy. The research question of this thesis concerns the development of methods for the simulation and the prediction of the trunk postoperative shape in scoliosis surgery. Four research objectives have been defined. The first part of this work (dealing with the first objective) consisted in developing a physically based deformation model of the scoliotic trunk. Unlike the existing model, a novel incremental approach is proposed to take into account large deformations of the trunk. The qualitative visual inspection of the simulated and actual trunk surfaces show a good approximation of the correction of the rib hump. The quantitative evaluation of the simulation is based on the back surface rotation index (BSR index). It is defined as the angle formed by the dual tangent to the posterior side of each section of the trunk surface and the axis passing through the patient's anterior superior iliac spines (ASIS), projected onto the axial plane. The BSR indices, measured at different vertebral levels, shows an average error in the range of 1.20º (± 0.73) to 3.20º (± 0.83$) in the thoracic region, indicating a good agreement between the predicted and actual trunk surfaces. The second part (dealing with the remaining three objectives) addressed the prediction accuracy improvement. In this regard, two tools have been developed: one for predicting 3D trunk shapes based on a statistical approach, and the other being a prediction tool based on nearest neighbor methods. These tools make use of the intuition of choosing the restriction of the displacement field on the trunk domain boundary (the external surface) as a first approximation of the trunk deformation. The achievement of the research objectives has resulted in original contributions to the state of the art in physical simulation of soft tissues as well as in machine learning for shape analysis. This project proposes a novel method for modeling scoliotic trunk soft tissue deformation for the simulation of the postoperative appearance. This method has, thus, the advantage of being a potential tool for computer based scoliosis surgery planning systems. As perspectives, further research studies may be suggested in order to overcome the limitations of the proposed methods. In particular, the incorporation of a trunk model obtained from a multimodal image fusion (MRI / RX / TOPO) for a better personalization of the physical constants may lead to the improvement of the simulation accuracy

Analyse automatique des déformations scoliotiques par topographie de surface

Revue des connaissances -- La méthode d'acquisition non invasives -- Étude de la courbure -- Recherche de repères anatomiques -- Objectifs de recherche -- Méthodologie -- Calcul de la courbure -- Recherche et détection des repères -- Méthodes de validation -- Aspects d'implémentation -- Calibrage du calcul de la courbure -- Voisinage -- Détermination de la normale -- Calcul de la courbure -- Influence du voisinage -- Choix des méthodes -- Résultats et discussion -- L'application scoliorepere -- Évaluation des mesures de courbure pour la détection de repères -- Détection de repères -- Corrélation des déformations externes avec celles de la colonne vertébrale -- Discution générale -- Conclusion et recommendations

Friction Force Microscopy of Deep Drawing Made Surfaces

Aim of this paper is to contribute to micro-tribology understanding and friction in micro-scale interpretation in case of metal beverage production, particularly the deep drawing process of cans. In order to bridging the gap between engineering and trial-and-error principles, an experimental AFM-based micro-tribological approach is adopted. For that purpose, the can’s surfaces are imaged with atomic force microscopy (AFM) and the frictional force signal is measured with frictional force microscopy (FFM). In both techniques, the sample surface is scanned with a stylus attached to a cantilever. Vertical motion of the cantilever is recorded in AFM and horizontal motion is recorded in FFM. The presented work evaluates friction over a micro-scale on various samples gathered from cylindrical, bottom and round parts of cans, made of same the material but with different deep drawing process parameters. The main idea is to link the experimental observation with the manufacturing process. Results presented here can advance the knowledge in order to comprehend the tribological phenomena at the contact scales, too small for conventional tribology

Towards a Conceptual Design of an Intelligent Material Transport Based on Machine Learning and Axiomatic Design Theory

Reliable and efficient material transport is one of the basic requirements that affect productivity in sheet metal industry. This paper presents a methodology for conceptual design of intelligent material transport using mobile robot, based on axiomatic design theory, graph theory and artificial intelligence. Developed control algorithm was implemented and tested on the mobile robot system Khepera II within the laboratory model of manufacturing environment. Matlab© software package was used for manufacturing process simulation, implementation of search algorithms and neural network training. Experimental results clearly show that intelligent mobile robot can learn and predict optimal material transport flows thanks to the use of artificial neural networks. Achieved positioning error of mobile robot indicates that conceptual design approach can be used for material transport and handling tasks in intelligent manufacturing systems

Towards a Conceptual Design of an Intelligent Material Transport Based on Machine Learning and Axiomatic Design Theory

Reliable and efficient material transport is one of the basic requirements that affect productivity in sheet metal industry. This paper presents a methodology for conceptual design of intelligent material transport using mobile robot, based on axiomatic design theory, graph theory and artificial intelligence. Developed control algorithm was implemented and tested on the mobile robot system Khepera II within the laboratory model of manufacturing environment. Matlab© software package was used for manufacturing process simulation, implementation of search algorithms and neural network training. Experimental results clearly show that intelligent mobile robot can learn and predict optimal material transport flows thanks to the use of artificial neural networks. Achieved positioning error of mobile robot indicates that conceptual design approach can be used for material transport and handling tasks in intelligent manufacturing systems

NOTIFICATION !!!

All the content of this special edition is retrieved from the conference proceedings published by the European Scientific Institute, ESI. http://eujournal.org/index.php/esj/pages/view/books The European Scientific Journal, ESJ, after approval from the publisher re publishes the papers in a Special edition

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