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Développement d'un modèle numérique simplifié du tronc pour simuler l'effet d'une chirurgie de la scoliose sur l'apparence externe d'un patient

Olivier Dionne

Master's thesis (2009)

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Abstract

Scoliosis is a musculoskeletal disorder characterized by a complex three-dimensionaldeformation of the trunk. For severe cases, surgical treatment is necessary. Thisprocedure consists in rectifying the spine shape using metal rods anchored to thevertebrae by means of screws and hooks. The prediction of surgical outcome is afundamental element of any preoperative evaluation. Currently, the clinical method todefine a surgical strategy and estimate the result of curve correction relies primarily onradiographic analysis of spinal flexibility and on the surgeon's own experience. Tofurther assist the clinician during surgical planning, a biomechanical simulator iscurrently being developed at Montreal's Sainte-Justine University Hospital Center toidentify the optimal configuration of the implants to best correct the spinal deformities.However, neither this simulator nor the spinal flexibility analysis consider the softtissues of the trunk in order to provide information on the patient's external appearanceafter the intervention. For the surgeon, the residual trunk asymmetry proves highlysubjective and his experience remains his only asset. This is problematic consideringthat the main reason to prescribe an operation comes initially from the patient'sdissatisfaction towards their apparent deformity. Having no prior knowledge of the levelof aesthetic improvement a surgery can offer him, the patient is sometimes disappointedby the imperfection of his appearance after the intervention.Therefore, the goal of this project is to define a simplified physical model of thedeformable tissues between the skin surface (epidermis) and bone structures of the trunkin order to visualize in 3D and assess the effect of scoliosis surgery on the patient'sexternal appearance. This research focuses only on the soft tissues since biomechanicalmodeling 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 predictthe external appearance after scoliosis surgery.To achieve our goal, we first propose a methodology to build a simplified system tomodel the different deformable structures of the trunk. Initially, 3D pre andpostoperative reconstructions of the bone structures are obtained from standardradiographs while non-invasive 3D optical digitizers acquire the external surface of thetrunk using white non-ionizing structure light. Following certain mesh preprocessing,we develop a generic method to generate three different tetrahedral layers starting fromthe external surface of the trunk to represent the skin, fat and muscles. From these newlayers a generalized particle system based on elastic potential energy is defined. Forcespreserving distance, area and volume constraints are calculated to describe the physicalbehavior of the various soft tissues. Finally, a rigid articulated model of the bonestructures is created in order to transform the internal preoperative configuration to thepostoperative state. By solving a set of dynamic equations, the displacements of thisrigid model deform the simplified soft tissue layers of the trunk in order to predict theexternal appearance after scoliosis surgery.A suitable numerical integration scheme to compute the dynamic

Résumé

La scoliose est une maladie du système musculo-squelettique caractérisée par unedéformation tridimensionnelle complexe du tronc. Pour les cas les plus sévères, untraitement chirurgical est nécessaire. Celui-ci consiste à redresser la colonne vertébraleà 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 touteplanification opératoire. Actuellement, la méthode clinique pour élaborer une stratégieopératoire et estimer le résultat de la correction de la scoliose réside principalement dansl'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 biomécaniquepermettant d'identifier la configuration optimale des implants qui corrigera le mieux lesdéformations de la colonne est en cours de développement au Centre HospitalierUniversitaire Sainte-Justine à Montréal. Toutefois, ni ce simulateur ni l'analyse duchirurgien ne tient compte des tissus mous du tronc et ne fournit d'information surl'apparence externe après l'intervention. Pour le chirurgien, le résultat de la chirurgiesur l'apparence externe s'avère hautement subjectif et son expérience demeure son seulatout. Tout ceci reste donc fort problématique, considérant que la principale raison pourprescrire une opération provient d'abord du mécontentement du patient vis-à-vis sonapparence esthétique. Ne possédant aucune idée du niveau de correction esthétiquequ'une chirurgie quelconque peut lui offrir, ce dernier est parfois déçu de l'imperfectionde son apparence après l'intervention.L'objectif principal du projet consiste donc à définir une modélisation physiquesimplifiée des tissus déformables entre l'épiderme (surface de la peau) et les structuresosseuses du tronc, afin de visualiser en 3D et d'évaluer l'effet d'une chirurgie de lascoliose sur l'apparence externe du patient. Cette étude s'attarde uniquement aux tissusmous car la modélisation biomécanique des structures osseuses fait l'objet d'un autreprojet. Ainsi, pour prédire les résultats des corrections à l'externe, on utilise uneconfiguration postopératoire déjà connue des structures osseuses.
Department: Department of Computer Engineering and Software Engineering
Program: Génie informatique
Academic/Research Directors: Farida Cheriet, François Guibault
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/228/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 12 Nov 2010 15:34
Last Modified: 14 Nov 2022 01:55
Cite in APA 7: Dionne, O. (2009). Développement d'un modèle numérique simplifié du tronc pour simuler l'effet d'une chirurgie de la scoliose sur l'apparence externe d'un patient [Master's thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/228/

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