Étude de l’impact de l’incertitude des processus de reconstruction 3D et de recalage sur l’analyse de la cinématique du genou

Analyser la cinématique du genou d’un patient permet aux médecins d’évaluer sa mobilité. Pour effectuer cette analyse, il est nécessaire d’acquérir les données cinématiques du patient pendant le mouvement et de les traiter. L’évaluation à travers le temps est effectuée en comparant les caractéristiques du mouvement issues du traitement des données entre chaque acquisition. Cependant, les variations de ces caractéristiques peuvent être dues à un changement réel du mouvement effectué pendant l’acquisition ou à des erreurs de mesure ou des erreurs de modélisation. Ainsi, distinguer les sources de ces variations permettrait aux cliniciens de minimiser le risque de mauvaise interprétation. Ce projet de maîtrise s’intéresse aux erreurs de traitement des données issues du processus d’acquisition des données lui-même. S’intéressant aux processus visualisant en temps réel le mouvement anatomique du genou, ce projet porte sur l’acquisition de données cinématiques mais aussi des données morphologiques. Ainsi, des étapes de reconstruction 3D des os et de recalage seront des étapes déterminantes du processus. Ce projet étudie l’impact des incertitudes des étapes de reconstruction 3D et de recalage du processus d’acquisition sur l’imprécision du traitement de ces données acquises. Aussi, ce projet propose une intégration des imprécisions du traitement des données dans leur visualisation en temps-réel. Pour cela, un simulateur du mouvement de l’articulation du genou développé par l’entreprise partenaire, a permis d’obtenir des données cinématiques de ce mouvement. Ces données ont été traitées par une décomposition du mouvement selon ses six degrés de liberté. L’incertitude du processus d’acquisition des données cinématiques est simulée par la méthode de Monte Carlo. Vingt-quatre paramètres déterminant l’incertitude des étapes de reconstruction 3D et de recalage du processus ont été étudiés. Le lien entre l’incertitude du processus d’acquisition et la quantification de la marche est établi grâce à une équation mathématique obtenue par validation croisée et régression pas à pas avant. Une interface utilisateur a été implémentée pour illustrer un exemple de visualisation des résultats de caractérisation prenant en compte ces imprécisions. Les résultats de la méthode de Monte Carlo et de la modélisation indiquent que les erreurs d’analyse de la cinématique par la décomposition en six degrés de liberté du mouvement sont fortement corrélées aux valeurs des incertitudes de l’étape de recalage (le coefficient de corrélation maximum est de 0.85). Les incertitudes de la reconstruction sont moins corrélées que celles du recalage aux valeurs des erreurs. Ainsi, cette étude permet de mettre en évidence l’importance de la résolution de l’étape de recalage. Également, elle appuie les bonnes pratiques déjà entamées en reconstruction 3D par l’ensemble de la communauté scientifique. En effet, la minimisation de l’influence des incertitudes de la reconstruction est due à l’utilisation de points issus de formes géométriques recalées sur des régions des reconstructions 3D, par opposition à des points acquis individuellement. Il serait donc pertinent d’accentuer les études de réduction de l’incertitude de l’étape de recalage.----------ABSTRACT Knee kinematic analysis is used to evaluate the mobility of patients. This evaluation is performed by comparing movement characteristics between each movement acquisition. However, variations of those characteristics may be due to a change in motion during acquisition, to measurement errors or to modeling errors. Thus, distinguishing the sources of these variations would allow clinicians to minimize the risk of misinterpretation. This master project aims to address the data errors from the data acquisition process itself. Focusing on real-time knee anatomical movement visualization processes, this project is centered on the kinematic and morphological data acquisition. Thus, 3D bone reconstruction and registration steps will be critical steps in the acquisitions. This project studies 3D reconstruction and registration step precision impact on data acquired inaccuracy. Also, this project suggests a data inaccuracies integration in their real-time visualization. A knee joint movement simulator developed by the collaborative company has allows to obtain kinematic data of the knee movement. These data were processed by a movement decomposition into six degrees of freedom. Kinematic data acquisition inaccuracy is simulated by a Monte Carlo method. Twenty-four parameters determining 3D reconstruction and registration steps inaccuracy were studied. A link between acquisition process inaccuracy and knee kinematic quantification is established by mathematical equation from cross-validation and step-by-step regression. A user interface has been implemented to illustrate characterization results with their inaccuracies. Monte Carlo method and modeling indicate that knee kinematic analysis errors by the decomposition in six degrees of freedom of movement are strongly correlated with registration step inaccuracy values (correlation coefficients maximum is 0.85). The 3D reconstruction step inaccuracies are less correlated to error values. This study highlights the importance of registration step resolution. In addition, it validates current practices in 3D reconstruction used by the whole scientific community. Indeed, 3D reconstruction impact on knee kinematic analysis is minimized by the use of points resulting from geometrical shapes registred on 3D reconstruction parts, opposed to points acquired individually. Therefore, it would be relevant to carry out further studies on inaccuracy reduction of the registration step

Développement d'un outil de quantification et visualisation de la cinématique du genou

RÉSUMÉ La modélisation cinématique de l’articulation tibio-fémorale a été étudiée depuis plus d’une centaine d’années. Premièrement, elle a pour but d’améliorer la compréhension du fonctionnement de l’articulation et le lien entre le mouvement et les structures anatomiques (p.ex. os, ligaments,ménisques, muscles). Deuxièmement, elle permet de caractériser les pathologies du genou et d’assister des processus médicaux comme la pose des prothèses. Il existe plusieurs processus pour étudier la cinématique tibio-fémorale. Celui utilisé par l’entreprise canadienne, collaborateur de ce projet, se décompose en quatre étapes : 1- L’obtention de la morphologie des os, 2- L’acquisition des données du mouvement en plaçant des capteurs le plus proche possible des os, 3- Le recalage de ces données sur les modèles osseux, 4- La quantification du mouvement grâce à des outils d’analyses. Cette quatrième étape permet d’interpréter les données pour les comparer et mettre en valeur les indicateurs cinématiques de chaque individu. Parmi les modèles décrivant la cinématique tibio-fémorale, deux modèles sont les plus utilisés dans la littérature: 1. le modèle décomposant l’articulation du genou en 6 degrés de libertés (6 ddl), et 2. le modèle d’axe hélicoïdal (AH) du genou. Même si ces deux modèles décrivent globalement la cinématique du genou, leurs variables de sortie sont différentes et complémentaires. C’est pourquoi, on ne peut les comparer directement, et ils ont chacun leur intérêt. Par exemple, le modèle à 6 ddl permet une interprétation clinique directe des valeurs quantifiées de chaque ddl, contrairement à l’AH. En revanche, le modèle à 6 ddl contient des erreurs dues au choix des repères anatomiques osseux. De plus, chacun de ces deux modèles est influencé par des choix méthodologiques propres, en particulier : le choix des repères anatomiques osseux pour le modèle à 6 ddl, et l’influence de la flexion-extension (FE) par rapport à la rotation interne-externe dans la définition tridimensionnelle de l’AH. Ainsi, l’objectif de ce mémoire est d’analyser la sensibilité de chacun de ces deux modèles de cinématique tibio-fémorale, en vue de mieux quantifier leurs limites d’utilisation. Pour répondre à cet objectif, trois analyses de sensibilité ont été effectuées : 1. L’impact du choix du repère anatomique sur la décomposition de la cinématique en sortie du modèle à 6 ddl. Les cinq repères principaux de la littérature (redéfinis en annexe 1) et celui de l’entreprise collaboratrice (EC) sont utilisés : EC, Suntay et coll. [1], Wu et coll. [2], Cappozzo et coll. [3] et La Fortune et coll. [4].----------ABSTRACT Knee kinematic modeling has been studied for over a hundred years. It primarily aims to improve understanding of the functioning of the joint and the link between movement and anatomical structures such as bones, ligaments, menisci and muscles. Secondly, it enables us to characterize the pathologies and assist in medical processes such as the prostheses. There are several processes for studying joint kinematics including the method used by the company, who is collaborator in this project. The process can be broken down accordingly: 1- Obtaining the bones morphology, 2- The data acquisition of the movement by placing sensors close to the bones, 3- The registration of this data on the bone models, 4- Quantification of the movement as a result of analysis tools. The last step makes it possible to interpret the data to compare and highlight the desired kinematic specificities. Although there are different ways of modeling joint kinematics, the decompositions according to the 6 degrees of freedom (dof) and the helical axis (HA) are most present in the literature. These two tools have limits to their use and this is evident in the literature. For example, the decomposition according to 6 dof depends on the errors brought about by the anatomical reference used and the AH does not allow a clinical interpretation of the phenomena observed. The purpose of this thesis is to quantify the limits of the tools in analyzing tibio-femoral kinematic. To meet this objective, three tools are studied in the following steps: first, the impact of the anatomical landmark on the decomposition of the kinematics is compared for five different anatomical frames (Collaborator company [1], Suntay et al. [2], Wu et al. [3], Cappozzo et al. [4] and La Fortune et al [5], defined in Appendix 1). Then, the orientation variation of a residual HA is compared with that of the classical HA for combined movement of flexion-extension (FE) and internal-external rotation. Finally, to quantify the performance of the point deported, its sensitivity according to FE and internal-external rotation is calculated. Its use in the creation of a cartography of gestures and a tool for the visualization of kinematics are analyzed. This leads to the following results: 1- Anatomical frames based on geometric approximations of anatomical areas such as the femoral head and posterior condyles have a lower variability than those based on specific anatomical points such as epicondyles. 2- The orientation of the director vector of the residual HA allows a visualization of the internal-external rotation in a combined movement. 3- The point deported has a sensitivity 25 times greater for an internal-external rotation gesture than for an FE gesture. The first result encourages the use of anatomical frames based on geometric approximations in their definition to reduce positioning errors. In addition, the first axis must be placed as precisely as possible, because any errors will be reported on the other axes

Quantification of knee extensor muscle forces: a multimodality approach

Given the growing interest of using musculoskeletal (MSK) models in a large number of clinical applications for quantifying the internal loading of the human MSK system, verification and validation of the model’s predictions, especially at the knee joint, have remained as one of the biggest challenges in the use of the models as clinical tools. This thesis proposes a methodology for more accurate quantification of knee extensor forces by exploring different experimental and modelling techniques that can be used to enhance the process of verification and validation of the knee joint model within the MSK models for transforming the models to a viable clinical tool. In this methodology, an experimental protocol was developed for simultaneous measurement of the knee joint motion, torques, external forces and muscular activation during an isolated knee extension exercise. This experimental protocol was tested on a cohort of 11 male subjects and the measurements were used to quantify knee extensor forces using two different MSK models representing a simplified model of the knee extensor mechanism and a previously-developed three-dimensional MSK model of the lower limb. The quantified knee extensor forces from the MSK models were then compared to evaluate the performance of the models for quantifying knee extensor forces. The MSK models were also used to investigate the sensitivity of the calculated knee extensor forces to key modelling parameters of the knee including the method of quantifying the knee centre of rotation and the effect of joint translation during motion. In addition, the feasibility of an emerging ultrasound-based imaging technique (shear wave elastography) for direct quantification of the physiologically-relevant musculotendon forces was investigated. The results in this thesis showed that a simplified model of the knee can be reliably used during a controlled planar activity as a computationally-fast and effective tool for hierarchical verification of the knee joint model in optimisation-based large-scale MSK models to provide more confidence in the outputs of the models. Furthermore, the calculation of knee extensor muscle forces has been found to be sensitive to knee joint translation (moving centre of rotation of the knee), highlighting the importance of this modelling parameter for quantifying physiologically-realistic knee muscle forces in the MSK models. It was also demonstrated how the movement of the knee axis of rotation during motion can be used as an intuitive tool for understanding the functional anatomy of the knee joint. Moreover, the findings in this thesis indicated that the shear wave elastography technique can be potentially used as a novel method for direct quantification of the physiologically-relevant musculotendon forces for independent validation of the predictions of musculotendon forces from the MSK models.Open Acces