Simulateur collaboratif de chirurgie d'instrumentation du rachis scoliotique en réalité virtuelle avec interface haptique logicielle

RÉSUMÉ La scoliose est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale qui nécessite, dans les cas graves, une intervention chirurgicale invasive et très délicate visant à redresser la colonne. Les outils disponibles pour l’entraînement des médecins, tels que les cadavres et les rachis synthétiques, présentent des inconvénients majeurs : les jeunes cadavres disponibles atteints de scoliose se font rares; le réalisme du comportement biomécanique est questionnable; ces deux types d’outils ne peuvent être réutilisés; ils ne représentent pas toute la variété des cas scoliotiques. Les technologies de la réalité virtuelle et les simulations numériques peuvent offrir des solutions pour contourner ces inconvénients. Afin d’aborder cette problématique, l’objectif général de la recherche a consisté à élaborer un prototype logiciel de simulateur collaboratif de chirurgie d’instrumentation du rachis scoliotique en réalité virtuelle incluant un retour d’effort logiciel pour les manoeuvres correctrices principales de la chirurgie, offrant ainsi un outil d’entraînement et d’apprentissage alternatif aux outils traditionnels. Ce projet est entré dans la continuité des travaux de recherche d’étudiants et d’associés de recherche de la Chaire de recherche industrielle CRSNG/Medtronic en biomécanique de la colonne vertébrale, et s’est distingué principalement par la mise en place de l’aspect collaboratif pour un contexte d’entraînement réaliste avec des participants distants, ainsi que le développement et l’évaluation d’une interface haptique logicielle. La revue bibliographique a suggéré que la chirurgie orthopédique ne semble pas encore bénéficier du potentiel offert par la réalité virtuelle et les interfaces haptiques quant à la simulation et à l’entraînement virtuel autant que d’autres types de chirurgies. La plupart des chirurgies pour lesquelles des simulateurs ont été développés impliquent des organes démontrant une certaine compliance, un espace de travail relativement restreint et des forces de faibles amplitudes, pouvant être simulées à l’aide de systèmes haptiques commerciaux génériques. Au contraire, la chirurgie d’instrumentation du rachis scoliotique nécessite l’application d’efforts de grande amplitude pour des mouvements relativement lents à peu de degrés de liberté, requérant un système haptique spécifique. De plus, les modèles physiques, bien que plus complexes et lourds en termes de temps de calculs que les modèles géométriques, sont nécessaires à l’obtention d’une expérience haptique réaliste. À la lumière de ces observations, nous avons émis deux hypothèses de recherche. La première hypothèse supposait que les principales manoeuvres correctrices effectuées lors d’une chirurgie d’instrumentation du rachis scoliotique peuvent être modélisées et simulées en réalité virtuelle immersive à l’aide d’une interface haptique logicielle et d’un modèle biomécanique personnalisé à ±15 % des valeurs d’efforts réelles telles que perçues par des chirurgiens experts. La seconde hypothèse supposait qu’une boucle de rendu haptique multifréquence, basée sur un algorithme de prédiction / correction, permettra d’atteindre la fréquence minimale requise (1000 Hz) pour un retour d’effort fonctionnel dans un contexte d’entraînement réaliste.---------ABSTRACT Scoliosis is a three-dimensional deformation of the spine requiring, in severe cases, a highly delicate and invasive surgical operation to correct the spinal deformities. Available tools for surgical training, such as cadavers and synthetic spines, have major drawbacks: limited availability of young cadaveric spines with scoliosis; questionable behaviour realism; destruction after first use; limited variability in scoliotic cases for training. Virtual reality technologies and computer simulations can offer solutions to these drawbacks. To address this problem, the general objective of this research consisted in elaborating the software prototype of a collaborative virtual reality scoliosis instrumentation surgery simulator, including force feedback for the main corrective surgical manoeuvres, as an alternative training and learning tool. This project has been a continuation of previous work from graduate students and research associates of the NSERC/Medtronic Industrial Research Chair in Spine Biomechanics, and focused on setting up and testing the collaborative aspect for a realistic training context with remote participants, as well as developing and evaluating a software haptic interface. The literature review suggested that orthopaedic surgery does not seem to benefit from virtual reality technologies and haptic interfaces regarding simulation and virtual training as much as other types of surgeries. Most surgeries for which simulators have been developed involve organs with a certain compliance, a relatively confined workspace and “delicate” forces, and can be simulated with generic commercial haptic devices. On the contrary, scoliosis instrumentation surgery involves the application of high forces through moderately slow and of few degrees of freedom movements, requiring a haptic device specific to scoliosis surgery. Also, physical models, although more complex and computationally expensive than geometric models, are necessary for a realistic haptic experience. In light of these observations, we stated two hypotheses. The first hypothesis was that the main corrective manoeuvres of scoliosis instrumentation surgery can be modeled and simulated in immersive virtual reality with a software haptic interface and a patient-specific biomechanical model at ±15 % of the actual force values as perceived by expert surgeons. The second hypothesis was that a multirate haptic rendering loop, based on a prediction / correction algorithm, will achieve the minimal required update rate (1000 Hz) for a functional force feedback in a realistic training context

Estimation d'incertitudes associées aux huit écarts de membrure d'une machine-outil

RÉSUMÉ Les écarts de membrures d'une machine-outil à commande numérique sont les défauts de liaison mécanique entre les composantes en mouvement constituant les "axes" de déplacement. Ceux-ci sont assemblés l'un à la suite de l'autre, de sorte qu'un écart entre la base de la machine et le premier axe se répercute sur le mouvement créé par le deuxième s'il est lié au premier, et ainsi de suite. Au final, tous les écarts sont combinés pour faire en sorte que la position et l'orientation de l'outil par rapport à la pièce à usiner divergent de celles désirées pour atteindre une géométrie parfaite. La machine à l'étude dans le cadre de cette étude comporte huit écarts de membrure qui, lorsque connus, permettent de prédire la position et l'orientation de l'outil et de la pièce : trois écarts de perpendicularité associés aux axes prismatiques, deux écarts permettant de définir l'orientation de chacun des axes de rotation dans l'espace, ainsi qu'un écart de position entre ces derniers qui, s'ils étaient parfaits, devraient normalement se croiser. Les écarts de membrure sont indépendants de la position de l'outil par rapport à la pièce, c'est-à-dire que leur valeur est invariable à l'intérieur du volume de travail. L'impact des écarts de membrure sur les pièces usinées est direct ; leur diagnostic constitue donc un sujet abondamment documenté. Cette opération nécessite la compréhension de phénomènes d'origines diverses agissant simultanément : le mouvement réalisé par une machine résulte d'une commande émise par l'opérateur à laquelle s'additionnent des facteurs de perturbation, outre ceux liés aux écarts de membrure eux-même. Les erreurs dépendant de la position volumétrique tels les écarts de rectitude, la dilatation thermique, les performances de l'algorithme d'interpolation de même que la stratégie de contrôle constituent quelques-unes de ces sources perturbatrices. L'erreur résultante après traitement ne constitue donc pas à proprement parler un écart de membrure, et cela est d'autant plus vrai que la machine comporte, en plus des trois axes prismatiques conventionnels, deux axes de rotation ajoutant à la difficulté du traitement mathématique des données. Les capteurs et systèmes d'acquisition de données comportent en outre des limitations. Enfin, l'intervention humaine, à la fois lors de l'acquisition et de l'analyse des données, ajoute une composante d'erreur potentielle. Toutes ces sources de variabilité contribuent à former une incertitude élargie sur le résultat d'écart de membrure. Celle-ci constitue un sujet peu abordé dans la littérature. Le caractère laborieux du choix de la procédure à adopter de même que son adaptation à l'application concernée peuvent l'expliquer. Cela nécessite une connaissance approfondie des mécanismes en action, dont la machine, le système d'acquisition, les algorithmes de traitement numérique et les phénomènes perturbateurs en cause constituent les principaux éléments.----------ABSTRACT Link errors on machine tools are the mechanical linkage offsets between its axes of displacements. Propagated through the kinematic chain, their combined effect results in a failure to reach the desired position and orientation of the tool relative to the workpiece, hence an imperfectly machined part. These errors are independant from the position within the machine, as opposed to other kinds of errors which are position-related, such as the pitch error for example. The machine tool taken as a case study for this research had eight link errors that contribute to making the actual pose unknowable. First, three perpendicularity errors define the orientation of the prismatic axes. Then both rotation axes orientations can be described with two angles. Finally there is a gap between those rotation axes which should normally intersect. Due to the impact these errors have on the machined parts quality, there is abundant literature related to link error diagnostic methods. When known, these errors can be corrected by mechanical means or compensated numerically. There is still plenty to investigate about them. The diagnostic itself is a complex operation during which several phenomenons occur that need to be understood. Typically, an operator generates a program that instructs the machine to move its axes in such a way that the small deviations actually performed related to the predicted trajectory are saved by an acquisition system in order to be analyzed. But those deviations are not purely the effect of link errors. Errors from several other sources are propagated. The most influent are thermal expansion and contraction of mechanical components, position-dependant errors such as straighness, controller architecture, interpolation algorithm performance, and so on. All those contributors make for a final indication from which they would be impossible to remove with certainty, especially considering the added complexity of a combined movement of three prismatic and two rotational axes. Moreover, errors inherent to sensors and data acquisition systems must be considered. And last but not least, all human intervention, be it during the experimention or analysis of the data, has potential incidence on diagnosed link error results. These error sources form an expanded uncertainty. That uncertainty can be estimated for each link error and each evaluation method. The process of chosing and then adapting a specific strategy for estimating the uncertainty can be laborious, especially when one has already worked hard to get a reliable result for a link error. It requires knowing several mechanisms, such as the machine tool, the sensor and data acquisition system, the numerical algorithms, the thermal behavior of the environment and machine, and some more. This may explain why there is so few references of an associated uncertainty value in the literature

Rôle de la réponse immunitaire innée dans la maladie de Parkinson

La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurologique progressive caractérisée par des dysfonctionnements moteurs se manifestant par des tremblements, de la bradykinésie, de la rigidité musculaire ainsi que de l’instabilité posturale. Ces manifestations physiques sont causées par la dégénérescence des neurones dopaminergiques (DAergiques) de la voie nigrostriatale. Ces dysfonctions motrices sont généralement précédées, jusqu’à 10 ans avant leur apparition, par d’autres symptômes, dont des altérations gastro-intestinales. La dégénérescence des neurones DAergiques dans le plexus myentérique serait à l’origine des dysfonctions gastro-intestinales. Plusieurs problématiques associées à la MP peuvent entraver la découverte de nouvelles cibles thérapeutiques. D’abord, les causes menant à l’initiation de la pathologie et la neurodégénérescence demeurent largement inconnues, et ce, malgré la mise en évidence de certains mécanismes impliqués dans la pathogenèse de la maladie, dont l’inflammation. Un second obstacle constitue le manque de biomarqueurs permettant le diagnostic précoce de la maladie au cours de son développement, puisque la pathologie se manifeste lorsque la dégénérescence atteint 60 à 70% des neurones DAergiques. Conséquemment, les traitements disponibles actuellement concernent uniquement les options thérapeutiques symptomatiques tandis qu’aucun traitement n’est disponible afin de modifier le cours évolutif du processus dégénératif amorcé plusieurs années avant le diagnostic. Ce projet doctoral s’inscrit donc dans une thématique globale ciblant plusieurs aspects de la problématique soulevée ci-dessus, en s’attardant principalement à mieux comprendre la contribution du système immunitaire innée dans la dégénérescence des neurones au niveau du plexus myentérique dans un modèle de souris parkinsoniennes. En premier lieu, nous avons caractérisé la réponse immunitaire engendrée par la neurotoxine 1-méthyl-4-phényl-1,2,3,6- tétrahydropyridine (MPTP) dans le plexus myentérique de souris sauvages et partiellement déficientes en immunité innée (MyD88 -/-) La découverte de l’infiltration de monocytes proinflammatoires dans le plexus myentérique nous a menés à étudier le rôle de ce type cellulaire dans l’altération des neurones DAergiques au niveau du plexus myentérique et du système nerveux central de souris traitées au MPTP. Les résultats obtenus nous ont permis de tester une nouvelle cible thérapeutique permettant de moduler la réponse inflammatoire afin de limiter les dommages neuronaux induits par la neurotoxine.Parkinson’s disease (PD) is a progressive neurological disorder characterized by motor dysfunctions, which include tremor, muscle rigidity, postural instability and bradykinesia. The slow and progressive degeneration of dopaminergic (DAergic) neurons of the nigrostriatal pathway constitutes a key element at the origin of clinical motor manifestations. Non-motor symptoms are also observed and could preceed their motor counterparts by several years. The former include gastrointestinal problems such as delayed gastric emptying, constipation and defecatory dysfunctions. The degeneration of DAergic neurons in the myenteric plexus is at the origin of gastrointestinal impariments. Major issues encountered in PD research currently impede the development of appropriate medication. First, the factors behind PD initiation that lead to neurodegeneration remain largely unknown, despite the discovery of several mechanisms involved in its pathogenesis, notably inflammation, which has been given considerable attention in recent years. A second hurdle is the lack of biomarkers to diagnose the disease earlier in its development. Indeed, most motor symptoms are manifested when approximately 60 to 70 % of DAergics neurons are degenerated. As a result of these caveats, PD patients currently only have access to symptomatic treatment options, since no therapy is available to modify degenerative processes primed several years before diagnosis. My doctoral research project is built into a global thematic approach targeting several aspects of the issues raised above, but more specifically to investigate the role of the innate immune response and the contribution of macrophages to neuronal degeneration in the myenteric plexus in a murine model of PD. First we characterized the innate immune response occurring in the enteric nervous system secondary to 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP) lesioning of wild-type and immune deficient (MyD88 -/-) mice. Our findings about proinflammatory monocytes infiltration in the myenteric plexus lead us to investigate on the role of the innate immune response relatively with neurodegeneration occurring in the central nervous system and myenteric plexus in response to MPTP. Our promising results provide us with the chance to test a new therapeutic target that modulates the innate immune response and limits MPTP-induced neuronal damages

Identification des types cellulaires exprimant des gènes impliqués dans le transport et le métabolisme des lipides dans le poumon murin en développement

Le processus de maturation pulmonaire implique entre autres la production d'un composé majoritairement lipidique : le surfactant. Cette étude réalisée du jour de gestation (JG) 15.5 au jour post-natal (PN) 10 a permis d'identifier dans le poumon murin les sites d'expression des apolipoprotéines (apo) A-I, A-Il, C-II, H et de la lipoprotéine lipase (LPL), gènes impliqués dans le métabolisme des lipides. On observe une co-localisation dans les cellules épithéliales des conduits respiratoires au JG 17.5 pour tous les messagers étudiés. Une co-localisation pour les protéines apoA-I, H et LPL est observée dans les capillaires. L'apoC-H est exprimée dans les cellules épithéliales distales tandis que l'apoA-II est retrouvée dans le mesenchyme. En période post-natale, l'expression de l'apoC-II et de la LPL se situe dans les conduits bronchiques et les macrophages. La localisation du site d'expression de ces gènes leur suggère un rôle dans la synthèse du surfactant

Étude du rôle de l'adaptateur Nck2 dans la progression métastatique du mélanome humain

La dissémination métastatique est associée à de faibles chances de survie dans les cas de mélanomes humains, comme pour d’autres cancers. Le développement de métastases est un processus qui se fait en plusieurs étapes et nécessite la réorganisation du cytosquelette d’actine pour permettre la migration et l’invasion cellulaire. La protéine Nck2 est un adaptateur protéique principalement impliqué dans la réorganisation du cytosquelette. Une étude préliminaire réalisée dans notre laboratoire avait révélé que les niveaux de la protéine Nck2 et de son ARNm sont augmentés dans les lignées de mélanome métastatiques en comparaison aux lignées primaires. Le but de la présente recherche était donc d’étudier le rôle de l’adaptateur Nck2 dans la progression métastatique. Les résultats obtenus confirment que l’expression de Nck2 augmente de façon marquée au cours de la progression métastatique du mélanome humain. Cette étude révèle en plus que l’expression de hauts niveaux de Nck2 dans les cellules de mélanome primaire stimule la prolifération cellulaire et la migration, n’affecte pas l’invasion d’une matrice de collagène de type I, mais semble affaiblir les contacts cellule-cellule et l’adhésion au substrat. Une étude préliminaire effectuée in vivo révèle que ces phénomènes se traduisent par une légère augmentation de la tumorigenèse et de la croissance tumorale. Dans l’ensemble, les résultats obtenus suggèrent que Nck2 pourrait effectivement jouer un rôle dans la progression métastatique du mélanome en favorisant la prolifération des cellules tumorales et en facilitant leur détachement de la tumeur primaire, les rendant plus aptes à se disperser dans l’organisme et à établir des colonies métastatiques. Au niveau moléculaire, nous proposons que Nck2 est recruté dans les invadopodes pour favoriser la formation de complexes protéiques qui stimulent l’invasion. La mobilisation de Nck2 dans ces structures membranaires diminuerait sa disponibilité pour l’établissent d’autres complexes protéiques, entre autres dans les complexes d’adhésion focaux (FAs) et dans les jonctions adhérentes, diminuant ainsi les contacts des cellules cancéreuses avec la matrice extracellulaire et les cellules avoisinantes.The metastatic process is highly fatal in many cancers, including human melanoma. Metastatic progression is a multistep process in which cytoskeletal organization allows migration and invasion of cancer cells. Nck2 is an adaptor protein mainly associated with cytoskeletal organization. A preliminary study carried out in our laboratory has shown that Nck2 protein and mRNA levels are increased in metastatic melanoma cell lines compared to primary cell lines. In this study, the role of Nck2 in metastatic progression was further investigated. Results confirmed that Nck2 levels are increased in metastatic melanoma compared to primary cell lines. Nck2 overexpression in primary melanoma induced migration and cell proliferation, did not affect invasion in type I collagen matrix, but decreased cell-cell and cell-substrate adhesion. In addition, a preliminary in vivo study suggested that Nck2 overexpression slightly increased tumorigenesis and tumor growth in primary melanoma. All together, these results indicate that Nck2 may effectively influence metastatic progression of melanoma by increasing cancer cell proliferation and detachment from the primary tumor, allowing them to enter the blood circulation and form distant colonies. At the molecular level, we propose that Nck2 is recruited to invadopodia in order to form molecular complexes that increase cell invasion, and this may results in a decrease in Nck2 levels available to form other molecular complexes in others cell compartments, such as focal adhesions (FA) and adherent cell junctions

Rééducation périnéale et pelvienne : guérir une contraction à la fois

Travail d'intégration réalisé dans le cadre du cours PHT-6113.L’incontinence urinaire constitue un problème grandissant et de plus en plus préoccupant en raison du vieillissement de la population canadienne. En effet, étant donné la croissance de sa prévalence avec l’âge (1), son évolution concordera avec l’augmentation de la proportion de personnes âgées dans la population qui devrait d’ailleurs dépasser celles des jeunes aux alentours de 2015 (2). Toutefois, malgré la hausse de prévalence, l’incontinence urinaire reste une condition sous-estimée et souvent non-identifiée puisque moins de 50% des patients atteints rapportent leurs symptômes à un médecin (6). En effet, celle-ci est souvent perçue comme étant une condition normale associée au vieillissement (6). Il est d’autant plus important d’aborder ce sujet étant donné les nombreux impacts physiques et psychologiques qui y sont associés incluant les infections, les plaies de pression, la dépendance, la pauvre estime de soi et la perte de qualité de vie (3,4). De plus, elle est fréquemment associée à la dépression, l’anxiété, la stigmatisation, l’isolement social et l’épuisement des proches aidants (3,4). Enfin, l’incontinence urinaire représente la deuxième cause d’admission dans un centre de soins de longue durée immédiatement après la démence (5). Dans les différentes parties qui suivront, nous aborderons d’abord l’épidémiologie, la physiologie de la continence, la pathophysiologie ainsi que les facteurs de risques possibles. Par la suite, nous détaillerons les différents traitements conservateurs en physiothérapie, leur efficacité ainsi que leurs avantages