Lors de l'elaboration d'une strategie operatoire pour le traitement de la scoliose idiopathique adolescente, la flexibility du rachis est evaluee a 1'aide de tests de flexibilite afin de determiner la reductibilite des courbes du rachis ainsi que les niveaux a instrumenter. Cependant, les tests conventionnels n'evaluent pas la flexibilite reelle du rachis puisqu'ils ne considerent pas les forces necessaires a l'obtention de la modification de la courbure du rachis.

Aussi, la flexibilite calculee lors de la personnalisation des proprietes mecaniques de modeles biomecaniques du rachis scoliotique differe puisque les methodes de personnalisation utilisees sont generalement elaborees en fonction de la modelisation employee. Ainsi, la comparaison entre les resultats des simulations des differents modeles devient alors difficile puisque ceux-ci sont influences par la flexibilite calculee.

Ce projet consiste done a creer un simulateur d'inflexion laterale interactif de patients scoliotiques a l'aide de courbes experimentales de comportement force-deplacement afin de decoupler le processus de personnalisation des modeles biomecaniques de la modelisation utilisee. Celui-ci est base sur l'hypothese selon laquelle la simulation d'un test d'inflexion laterale maximale d'un patient scoliotique peut predire le deplacement de la colonne vertebrale lorsque le modele inclut directement le comportement du rachis provenant des courbes experimentales. L'objectif secondaire est d'evaluer la precision du systeme en effectuant des simulations d'inflexion laterale maximale sur un ensemble de patients scoliotiques.

Pour realiser ces objectifs, une reconstruction 3D personnalisee du rachis (Tl a L5) du patient est d'abord realisee a partir d'images radiographiques biplanaires. La position 2D des centroi'des des vertebres et les angles de Cobb au repos et lors de Finflexion laterale maximale droite et gauche sont aussi mesures directement sur les radiographics. Cette information permet de mesurer la precision du systeme lors de la simulation du test d'inflexion laterale.

Ensuite, le simulateur utilise ces reconstructions 3D personnalisees du rachis en specifiant une contrainte spherique entre chaque vertebre. A 1'aide des courbes experimentales, trois couples de reponse des elements intervertebraux sont appliques sur chaque vertebre d'une unite fonctionnelle et sont determines selon Tangle entre les corps vertebraux de facon continue tout le long de la simulation. Les positions radiographiques des patients en inflexion laterale maximale sont reproduites en appliquant graduellement un moment sur la vertebre Tl et en fixant L5 pour tous les degres de liberte. Puis, 1'erreur de simulation et les couples necessaires a la reproduction du test d'inflexion laterale sont determines.

Ce projet a permis d'experimenter un systeme de simulation interactif par corps rigides favorisant 1'interact!vite au prix de la precision. Ce compromis est realise en posant l'hypothese simplificatrice principale selon laquelle l'effet d'une liaison cinematique est tres localise pour des pas de temps petits. Son effet peut alors etre calcule sans considerer les autres liaisons a l'interieur du systeme permettant ainsi de reduire la complexity de la resolution du systeme de contraintes.

Les simulations ont permis de reproduire plus de 94% du deplacement du rachis produit lors du test d'inflexion laterale maximale pour les 10 patients scoliotiques. L'erreur moyenne sur la position des vertebres est de 5mm ± 3mm et la variation de Tangle de Cobb est de 5° ± 3°. Ces valeurs ont ete obtenues pour 95% des cas. II a egalement ete possible d'evaluer les couples necessaires a la reproduction de I'inflexion laterale des patients, variant de 2.8Nm a 17.5Nm. De plus, toutes les simulations ont ete realisees en temps reel.

Ces resultats permettent de confirmer 1'hypothese et demontrent la faisabilite de simuler les tests d'inflexion laterale maximale de patients scoliotiques de maniere interactive a Faide d'un modele simplifie du rachis. Ainsi, ce simulateur permet de decoupler le processus de personnalisation des modeles biomecaniques de la modelisation utilisee.

La methode de simulation employee dans le cadre de ce projet est un premier pas dans l'elaboration de systemes temps reel. Et puisqu'un tel systeme semble etre mieux adapte au milieu clinique en raison de son temps d'execution, il offre ainsi plus d'opportunites d'etre utilise.

In adolescent idiopathic scoliosis, surgical treatment strategy is determined from flexibility tests (e.g. lateral bending, traction, suspension...). These tests evaluate the reduction in spine curvature and are also used to identify the levels to be instrumented. However, conventional tests do not assess the real spine flexibility since they do not consider forces needed to modify the spine's curvature.

Personalization methods used in current biomechanical models generally determine flexibility in a manner that is dependent on the modelling technique used. Thus, the flexibility calculated from this personalization process is normally not the same. Since the simulation results are influenced by the calculated flexibility, an attempt to compare the results obtained from different models will be misleading.

The goal of this project was to create an interactive side-bending test simulator of scoliotic spine where the personalization process is not influenced by the modelling technique used. This simulator used force-displacement behavioural curves deduced from experiments. It was hypothesized that the maximum side-bending test simulation of a scoliosis patient can predict the movement of the spine when the model includes direct spinal behaviour from experimental curves. The secondary objective was to evaluate the system accuracy by performing maximum side-bending simulations on a set of scoliosis patients.

To achieve these objectives, a personalized 3D spine reconstruction (T1-L5) of the patient was created from biplanar x-ray images. Then, the spine midline and Cobb angles in the upright posture and at maximum right and left side-bending were measured directly on radiographs. This information was used to measure the system accuracy during side-bending test simulations.

The simulator used these personalized 3D spine reconstructions by specifying a spherical joint constraint between each vertebra. Using the experimental force-displacement curves, three torques were applied to each vertebra in a functional unit. These torques were determined throughout the simulation by the angle between the vertebral bodies. The spine shape in maximum side-bending taken from the radiographs was reproduced by gradually applying a torque on Tl vertebra and by fixing all degrees of freedom of L5. The resulting torque was the one that gives the lowest error between the simulated spine displacement and the real values obtained from lateral bending test.

This project also experimented an interactive rigid body simulation system in which each joint was treated locally thus reducing the solving complexity of the constraint system. This approach was based on the assumption that the joint effect is localized for small time steps and thus its effect can be calculated without considering other joints within the system.

The simulations were able to reproduce more than 94% of the spinal displacement produced during the side-bending test for the 10 scoliosis patients. The average error on the position of the vertebrae was 5mm ± 3mm and the variation of the Cobb angle was 5° ± 3°. These values were obtained for 95% of cases. It was also possible to assess the torques needed to reproduce the side-bending test, ranging from 2.8Nm to 17.5Nm. In addition, all simulations were carried out in real time. These results confirm the hypothesis and demonstrate the feasibility of simulating maximum side-bending test in an interactive way with a simplified spine model.

The simulation method used in this project is a first step in developing real-time systems that are more adapted to the clinical environment. And because of its execution time, it offers more opportunities to be used.