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

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.