RÉSUMÉ
La scoliose est une maladie du système musculo-squelettique caractérisée par une
déformation tridimensionnelle complexe du tronc. Pour les cas les plus sévères, un
traitement chirurgical est nécessaire. Celui-ci consiste à redresser la colonne vertébrale
à l’aide de tiges métalliques ancrées aux vertèbres moyennant des vis et des crochets.
La prédiction du résultat chirurgical s’avère un élément fondamental à toute
planification opératoire. Actuellement, la méthode clinique pour élaborer une stratégie
opératoire et estimer le résultat de la correction de la scoliose réside principalement dans
l’analyse radiographique de la flexibilité du rachis jumelée à l’expérience du chirurgien.
Afin d’assister davantage ce dernier lors de la planification, un simulateur biomécanique
permettant d’identifier la configuration optimale des implants qui corrigera le mieux les
déformations de la colonne est en cours de développement au Centre Hospitalier
Universitaire Sainte-Justine à Montréal. Toutefois, ni ce simulateur ni l’analyse du
chirurgien ne tient compte des tissus mous du tronc et ne fournit d’information sur
l’apparence externe après l’intervention. Pour le chirurgien, le résultat de la chirurgie
sur l’apparence externe s’avère hautement subjectif et son expérience demeure son seul
atout. Tout ceci reste donc fort problématique, considérant que la principale raison pour
prescrire une opération provient d’abord du mécontentement du patient vis-à-vis son
apparence esthétique. Ne possédant aucune idée du niveau de correction esthétique
qu’une chirurgie quelconque peut lui offrir, ce dernier est parfois déçu de l’imperfection
de son apparence après l’intervention.
L’objectif principal du projet consiste donc à définir une modélisation physique
simplifiée des tissus déformables entre l’épiderme (surface de la peau) et les structures
osseuses du tronc, afin de visualiser en 3D et d’évaluer l’effet d’une chirurgie de la
scoliose sur l’apparence externe du patient. Cette étude s’attarde uniquement aux tissus
mous car la modélisation biomécanique des structures osseuses fait l’objet d’un autre
projet. Ainsi, pour prédire les résultats des corrections à l’externe, on utilise une
configuration postopératoire déjà connue des structures osseuses.----------ABSTRACT
Scoliosis is a musculoskeletal disorder characterized by a complex three-dimensional
deformation of the trunk. For severe cases, surgical treatment is necessary. This
procedure consists in rectifying the spine shape using metal rods anchored to the
vertebrae by means of screws and hooks. The prediction of surgical outcome is a
fundamental element of any preoperative evaluation. Currently, the clinical method to
define a surgical strategy and estimate the result of curve correction relies primarily on
radiographic analysis of spinal flexibility and on the surgeon's own experience. To
further assist the clinician during surgical planning, a biomechanical simulator is
currently being developed at Montreal’s Sainte-Justine University Hospital Center to
identify the optimal configuration of the implants to best correct the spinal deformities.
However, neither this simulator nor the spinal flexibility analysis consider the soft
tissues of the trunk in order to provide information on the patient’s external appearance
after the intervention. For the surgeon, the residual trunk asymmetry proves highly
subjective and his experience remains his only asset. This is problematic considering
that the main reason to prescribe an operation comes initially from the patient’s
dissatisfaction towards their apparent deformity. Having no prior knowledge of the level
of aesthetic improvement a surgery can offer him, the patient is sometimes disappointed
by the imperfection of his appearance after the intervention.
Therefore, the goal of this project is to define a simplified physical model of the
deformable tissues between the skin surface (epidermis) and bone structures of the trunk
in order to visualize in 3D and assess the effect of scoliosis surgery on the patient’s
external appearance. This research focuses only on the soft tissues since biomechanical
modeling of the bone structures is the subject of another ongoing project. Consequently,
a known postoperative configuration of the bone structures serves as our basis to predict
the external appearance after scoliosis surgery.
To achieve our goal, we first propose a methodology to build a simplified system to
model the different deformable structures of the trunk. Initially, 3D pre and
postoperative reconstructions of the bone structures are obtained from standard
radiographs while non-invasive 3D optical digitizers acquire the external surface of the
trunk using white non-ionizing structure light. Following certain mesh preprocessing,
we develop a generic method to generate three different tetrahedral layers starting from
the external surface of the trunk to represent the skin, fat and muscles. From these new
layers a generalized particle system based on elastic potential energy is defined. Forces
preserving distance, area and volume constraints are calculated to describe the physical
behavior of the various soft tissues. Finally, a rigid articulated model of the bone
structures is created in order to transform the internal preoperative configuration to the
postoperative state. By solving a set of dynamic equations, the displacements of this
rigid model deform the simplified soft tissue layers of the trunk in order to predict the
external appearance after scoliosis surgery.
A suitable numerical integration scheme to compute the dynami