Construction of musculoskeletal systems for anatomical simulation

Mots clé :

• help
• conception
• medical devices
• human body

L'usage d'humains virtuels s'est démocratisé à de nombreuses activités ces dernières années. Au-delà de la chirurgie virtuelle, les corps virtuels sont de plus en plus utilisés pour concevoir des dispositifs médicaux, des véhicules et des outils de notre quotidien plus généralement. Ils se sont avérés être également d'extraordinaires supports à l'apprentissage de l'anatomie. De récents films (Avatar, Le seigneur des anneaux, etc) ont démontré que l'anatomie et la biomécanique peuvent être utilisées pour concevoir des personnages d'une grande qualité. Cependant, reproduire le comportement des structures anatomiques demeure une tâche complexe, et de nombreuses connaissances variées sont nécessaires à la mise en place de simulation de qualité de nos organes. Ceci fait de la modélisation pour la simulation d'humains une problématique non résolue, une tâche fastidieuse, mais également un sujet de recherche fascinant. À travers ces travaux de thèse, nous abordons cette problématique de la construction de systèmes musculo-squeletiques pour ces domaines variés : animation, biomécanique et aide à l'apprentissage. Notre objectif est de simplifier le processus entier de création en le rendant plus intuitif et plus rapide. Notre approche consiste à pallier à chacune des difficultés, à savoir : la représentation et la manipulation de connaissances anatomiques, la modélisation géométrique et la simulation efficace de systèmes musculo-squelettiques grâce à trois principales contributions introduites durant ces travaux de recherche. Notre première contribution se focalise sur la construction biomécanique d'un modèle hybride du rachis lombaire. Dans ces travaux, nous montrons que les approches hybrides combinant des systèmes de corps rigides et des modèles éléments finis permettent d'obtenir des simulations en temps interactifs, précises, et respectant les principes de l'anatomie et de la mécanique. Notre seconde contribution s'intéresse aux problématiques liées à la complexité des connaissances anatomiques, physiologiques et fonctionnelles. En se basant sur une ontologie de l'anatomie et une ontologie inédite de la physiologie humaine, nous introduisons un pipeline pour la construction automatique de modèles simulant les fonctions de nos organes. Celles-ci permettent d'exploiter les connaissances anatomiques complexes via des requêtes simples. Les sorties de ces requêtes sont utilisées pour créer des modèles simulables retranscrivant les aspects fonctionnels tels qu'ils ont été formalisés et décrits par les anatomistes. Enfin, notre troisième contribution : le transfert d'anatomie, permet d'adapter les modèles géométriques et mécaniques à la morphologie de patients spécifiques. Cette nouvelle méthode de recalage permet de reconstruire automatiquement l'anatomie interne d'un personnage défini par sa peau en transférant les organes d'un personnage de référence. Elle permet de pallier à la nécessité de re-construire ces géométries pour chaque nouvelle simulation, et contribue ainsi à accélérer la mise en place de simulations spécifiques à une grande variété d'individus de morphologie différente.
 

Directeurs:

• Mr François Faure (Professeur - Université Joseph Fourier )
• Mr Benjamin Gilles (Chargé de Recherche - Université de Montpellier )
• Mr Olivier Palombi (Professeur - Université Joseph Fourier )

Raporteurs:

• Mr Ladislav Kavan (Ass. Professor - University of Pennsylvania )
• Mr Sidney Fels (Professeur - University of British Columbia )

Examinateurs:

• Mr Stéphane Cotin (Directeur de recherche - INRIA )
• Mr Philippe Cinquin (Professeur - Université Joseph Fourier-Université Grenoble Alpes )
• Mr Hervé Delingette (Directeur de recherche - INRIA )