Évaluation de la précision de systèmes d'acquisition de la géométrie 3D du tronc pour la conception de corsets personnalisés

La Scoliose Idiopathique de l'Adolescent (SIA) est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Quand elle est modérée (20° < Angle de Cobb < 40°), elle est traitée par le port d'un corset rigide. Le corset exerce des forces sur la surface externe du tronc du patient pour arrêter la progression de la déformation. 75% des patients atteints de SIA modérée ont pu éviter la chirurgie en portant un corset. Il est prescrit pour une durée de 18 à 23 heures par jour mais beaucoup de patients n'adhèrent pas au traitement à cause de son incommodité, ce qui affecte le résultat. Vu que la réussite du traitement repose sur le port du corset pour une longue durée, les chercheurs au CHU Sainte-Justine (CHUSJ) ont pu concevoir des corsets confortables, personnalisés à la forme 3D de la géométrie des troncs des patients. Ces corsets sont plus minces et sont plus tolérés par les patients. La conception des corsets personnalisés repose sur la surface externe 3D des troncs des patients acquise par un système de topographie de surface 3D. Ces systèmes sont non irradiants, ils projettent une lumière blanche, infrarouge ou proche infrarouge sur l'objet à numériser. La lumière réfléchie par la cible est captée par la caméra du système qui reconstruit la forme 3D de l'objet. De nombreux systèmes sont disponibles sur le marché utilisant différentes techniques et offrant une variété de choix en termes de résolution et de prix. Le système InSpeck Capturor II LF a été utilisé durant les études faites au CHUSJ, la géométrie 3D reconstruite par ce système présente la précision nécessaire pour la fabrication de ces corsets. InSpeck est formé de 4 numériseurs fixes, chaque numériseur comporte un projecteur de franges à lumière blanche et une caméra. Ils reconstruisent la géométrie 3D de l'objet numérisé ainsi que sa texture. Cependant, ce système est lourd, coûteux et fixe ; c'est pourquoi les orthésistes d'Orthèse Prothèse Rive Sud au CHUSJ utilisent un nouveau système : le Structure Sensor. Structure Sensor est un petit dispositif qui est attaché à un appareil mobile (un iPhone ou un iPad) et qui reconstruit la forme 3D et la texture de l'objet numérisé en le balayant à une distance de 40 à 50 cm. Il est donc mobile, léger, plus facile à manipuler et moins cher que InSpeck. Par conséquent, notre étude a pour objectif de comparer la précision de Structure Sensor par rapport à InSpeck dans le but de concevoir des corsets personnalisés. Le BodyScan, un troisième système de topographie de surface 3D portable, disponible au CHUSJ pour des fins de recherche, est aussi inclus dans l'étude pour l'évaluer par rapport aux deux autres systèmes. Ce système, par contre, ne capte pas la texture. Dans la première partie de l'étude, nous évaluons les systèmes de topographie en numérisant un mannequin anthropomorphique. Nous avons placé 46 marqueurs sur le mannequin, que nous avons numérisé tout d'abord avec une machine à mesurer tridimensionnelle (Coordinate Measuring Machine (CMM)) ayant une résolution de 10 nm. Les coordonnées 3D des marqueurs sont alors obtenues avec une haute précision et servent de vérité terrain. Le mannequin est ensuite numérisé trois fois avec chacun des systèmes. Nous avons évalué la précision de la reconstruction 3D de chacun des numériseurs en calculant la distance normale résiduelle séparant chacune des surfaces du nuage de points obtenu avec la CMM. Ensuite, nous avons calculé la distance moyenne bidirectionnelle qui sépare les paires de surfaces obtenues avec le même système afin d'évaluer leur répétabilité. Enfin, pour comparer le plaquage de texture entre InSpeck et Structure Sensor, nous avons sélectionné les marqueurs apparents sur les reconstructions 3D puis nous avons mesuré la distance euclidienne séparant ces marqueurs de la vérité terrain. Les distances moyennes bidirectionnelles obtenues sont respectivement 0,4755 mm ; 0,5316 mm ; 0,7395mm pour BodyScan, InSpeck et Structure Sensor. La répétabilité des mesures fournies par les trois systèmes est comparable vu l'objectif de l'étude. Une visualisation de la distribution des distances sur les surfaces montre que la variabilité entre les essais n'est pas localisée au niveau des régions du tronc couvertes par le corset. Le résultat des tests statistiques appliqués sur les distances normales résiduelles montre que les trois systèmes présentent une bonne variabilité inter-essais ; les précisions de Structure Sensor et InSpeck sont comparables (moyennes respectives de 0,74 mm et 0,58 mm), BodyScan est légèrement plus précis (moyenne : 0,41 mm). Enfin le plaquage de texture est plus précis sur les acquisitions faites avec InSpeck que celles obtenues avec le Structure Sensor, présentant respectivement des moyennes de distance de 2,5 mm et 3,2 mm. La deuxième partie de l'étude consiste à comparer InSpeck et Structure Sensor en effectuant des acquisitions sur des patients atteints de SIA modérée recrutés au CHUSJ. Nous plaçons 11 marqueurs radio-opaques sur des repères anatomiques puis nous demandons à chaque patient de passer un examen radiographique (acquisition de deux radiographies biplanaires). Nous effectuons ensuite une acquisition du patient avec le système InSpeck et deux acquisitions avec Structure Sensor par deux opérateurs différents. Nous comparons chacune des surfaces Structure Sensor à InSpeck (SS1 - InSpeck, SS2 - InSpeck) et les deux surfaces Structure Sensor entre elles (SS1 - SS2) en mesurant la distance moyenne bidirectionnelle qui les sépare. Nous obtenons une moyenne de 5,65 mm entre les deux systèmes, et de 2,69 mm entre les deux opérateurs du Structure Sensor. Les différences entre les deux systèmes sont dues à des variations au niveau des protocoles expérimentaux et du mouvement du patient. Une simulation du corset sur les modèles 3D des troncs des patients a montré que les différences obtenues n'affectent pas les régions d'appui du corset et par conséquent sa conception. La variation entre les opérateurs du Structure Sensor est essentiellement causée par le mouve-ment du patient et la vitesse de balayage durant l'acquisition qui affecte la qualité de la reconstruction. Nous avons aussi mesuré les indices d'asymétrie du tronc sur les 3 surfaces obtenues pour chaque patient. En évaluant les différences entre les paires (SS1 - InSpeck, SS2 - InSpeck et SS1 - SS2), nous avons constaté que les mêmes variations observées précédemment affectent les mesures. Enfin, nous avons comparé la correction du corset, en simulant l'e˙et des forces appliquées sur les modèles en éléments finis de 6 patients. Les angles de Cobb obtenus après la simulation présentent une variation moyenne de 2,4° entre les systèmes, cette différence est relativement faible par rapport à l'erreur de mesure de l'angle de Cobb. La dernière étape du projet consiste à évaluer le recalage des structures osseuses internes aux surfaces externes par deux méthodes. La première consiste à effectuer un recalage manuel, l'utilisateur positionne les structures l'une par rapport à l'autre ; la deuxième est automatique, le logiciel effectue le recalage en se basant sur les positions des marqueurs radio-opaques. Dans le but de les comparer, nous avons simulé le corset sur les modèles en éléments finis du même patient obtenus suite à un recalage automatique et manuel. La différence d'angle de Cobb obtenue par les deux méthodes est de 1,77°. La méthode de recalage affecte légèrement la simulation du corset, une simulation sur une cohorte plus large de patients est nécessaire pour confirmer le résultat. L'étude faite sur le mannequin anthropomorphique montre que les trois systèmes de topographie de surface 3D présentent une précision comparable, avec BodyScan légèrement plus précis que les deux autres. De plus, la variabilité inter-essais des trois systèmes est bonne. Pour prendre en compte les variations introduites par les patients, nous avons recruté des patients SIA au CHUSJ. L'étude sur les patients a montré que les différences mesurées entre les systèmes n'affectent pas la conception des corsets personnalisés bien que InSpeck soit plus précis que Structure Sensor. Les mesures faites en clinique par les orthésistes compensent les variations. La précision du Structure Sensor peut-être aussi améliorée en amenant quelques modifications au protocole d'acquisition. De plus, la taille de l'appareil, la facilité de son utilisation et son faible coût par rapport à InSpeck, le rend plus pratique en clinique. Les prochains travaux pourront évaluer la répétabilité des mesures fournies par Structure Sensor en demandant au même opérateur d'effectuer plusieurs acquisitions sur le même patient. Cette étude a démontré que le Structure Sensor permet une acquisition fiable de la géométrie externe du tronc et que sa précision est suffisante pour la conception de corsets personnalisés. Ce système pourrait donc être déployé dans les institutions étant donné que son prix est raisonnable.