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Theses Year : 2007

Geometrical and mechanical patient specific modeling of the locomotor system

Modélisation géométrique et mécanique personnalisée de l'appareil locomoteur

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Abstract

Most of the models used in gait analysis use generic data, and thereby don't take the patient's morphology (body segment parameters, forces' lever arms) into account. This work consists in enhancing those models, by integrating patient specific geometric and mechanical characteristics. Clinical trials, including a gait analysis, a stereo-radiography with the EOS® low dose biplanar X-ray system, and an MRI exam, are conducted on 10 healthy subjects and 5 patients waiting for an anterior cruciate ligament reconstruction. The bones' and the external envelope's geometry is reconstructed from the stereo-radiographies. Registering the bones into the gait analysis frame enables us to locate precisely the centre of the femoral head (CFH). The patient specific body segment parameters (BSP) are computed and integrated into the model. The impact of using the registered CFH and the BSP can not be neglected, as the difference to the moments computed with the conventional method reaches respectively 2 and 0.5%BW*Ht. Apart from its clinical application, the patient specific muscular geometry is an important input data for muscular models, which determine the forces produced by the muscles, ligaments and the contact areas. We present an original method enabling us to reconstruct the 13 main muscles involved in the knee joint's motion using 6 to 8 MRI images. The reconstruction takes an hour and provides the muscles' volume and surface with an error of 5% and 5mm (2RMS). This project provides the baselines for a patient specific muscular model, which will inform us on the different structures' contribution to the joint forces and moments, and thereby help us to better understand the pathologies and the patients' compensatory strategies.
La plupart des modèles utilisés pour calculer les efforts articulaires sont génériques et ne tiennent pas compte de la morphologie du patient, qui influence non seulement les caractéristiques inertielles mais aussi les bras de levier des forces exercées. Ce travail de thèse propose d'améliorer ces modèles, en intégrant les caractéristiques géométriques et mécaniques personnalisées du sujet. Les essais cliniques comprenant une analyse de la marche, une stéréoradiographie avec le système biplan à faible dose d'irradiation EOS® et un examen d'IRM sont menés sur 10 sujets sains et 5 sujets en attente d'une reconstruction du ligament croisé antérieur. La géométrie osseuse et de l'enveloppe externe est reconstruite à partir des clichés stéréo-radiographiques. Le recalage des os dans le système d'analyse du mouvement permet une localisation précise du centre de la tête fémorale (CTF). Les paramètres inertiels personnalisés (BSP) des segments sont calculés et intégrés dans le modèle. L'impact de l'utilisation du CTF recalé et des BSP n'est pas négligeable, les écarts avec les moments obtenus par les méthodes conventionnelles pouvant atteindre respectivement 2 et 0.5%BW*Ht. Outre son intérêt clinique, la géométrie musculaire personnalisée constitue une donnée d'entrée essentielle aux modèles permettant de répartir les efforts en leurs composantes musculaires, ligamentaires et de contact. Nous présentons un protocole permettant de reconstruire les 13 principaux muscles impliqués dans le mouvement du genou à partir de 6 à 8 coupes IRM. Ces muscles sont reconstruits en une heure, avec des erreurs volumique et surfacique inférieures à 5% et 5mm (2RMS). Ce projet pose les bases pour la mise en place d'un modèle musculaire personnalisé, qui permettra de mieux comprendre l'apport de chaque structure aux efforts articulaires, fournissant ainsi un éclairage sur les pathologies et les stratégies compensatoires des patients.
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Dates and versions

pastel-00003222 , version 1 (20-12-2007)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00003222 , version 1

Cite

Ingrid Südhoff. Modélisation géométrique et mécanique personnalisée de l'appareil locomoteur. Sciences de l'ingénieur [physics]. Arts et Métiers ParisTech, 2007. Français. ⟨NNT : 2007ENAM0029⟩. ⟨pastel-00003222⟩
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