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Projet ANR : SoHuSim

Activités récentes

DEFINITION DES PROTOCOLES D'ACQUISITION DES DONNEES IRM ET EMG-MOCAP

Plusieurs réunions et acquisitions de données ont eu lieu au CHRU afin de mettre au point les protocoles d'acquisition. La Figure 1 ci-dessous représente une acquisition IRM, et les images correspondantes que nous avons obtenues.

Figure 1 : Acquisition IRM. A gauche, le dispositif d'acquisition. A droite, le raccord 3D d'images prises à différentes positions dans le tunnel.

Une séance d'acquisition d'EMG s'est déroulée au LIRMM, comme illustré sur la Figure 2, pour tester la possibilité d'activation indépendante des faisceaux musculaires du quadriceps.
Enfin, nous avons testé une nouvelle modalité d'acquisition de surfaces à l'aide du capteur Kinect de Microsoft, initialement destiné au jeu vidéo. Ce capteur nous a permis d'obtenir des modèles surfaciques du membre inférieur, comme illustré sur la Figure 3. Nous espérons que la relativement haute fréquence temporelle de ce capteur, aux alentours de 30 Hz, nous permettra de valider nos simulations en dynamique et non plus seulement en statique.

Figure 2 : Capteurs d'EMG disposés sur le membre inférieur.
Figure 3 : Modèle surfacique du membre inférieur obtenu à l'aide du capteur Kinect.

ACQUISITION ET TRAITEMENT DES DONNEES D'IMAGERIE – MODELES VOLUMIQUES

Le but de cette sous-tache a été de générer, à partir d’IRMs, les modèles 3D spécifiques au patient des muscles, des os et de la peau.
Les méthodes proposées sont basées sur des modèles déformables 3D qui s'adaptent progressivement aux contours des organes dans les images. Dans ce domaine , un article a été publié et présenté cette année à la conférence Eurographics (voir ici)

L’originalité de notre approche a été de combiner un recalage élastique à un modèle statistique de forme, et à un modèle de squelette gérant les butées articulaires. Cela permet de calculer automatiquement le champs de déformation alignant les modèles aux données, incluant des discontinuités de déplacement, ce qui est un problème difficile dans ce domaine. En comparant les résultats automatiques à des segmentations manuelles, notre méthode a été validée avec une précision de l’ordre du millimètre.

Figure 4 : Alignement automatique d’un modèle de cuisse sur des IRMs (en couleur). En blanc : modèle utilisant seulement des contraintes géométrique (aucune information « image »). La distance entre les deux représente les déformations entre une position neutre, de référence, et la configuration étudiée (à gauche : flexion du genou ; à droite : contraction du quadriceps).

UTILISATION DE FANTOME DE VALIDATION

Nous avons expérimenté l'acquisition d'objets de référence soumis à des chargements précis,comme le fantôme de sein présenté en Figure 5. L'objet est soumis à une déformation imposée par un bras de robot piloté en déplacement et muni d'un capteur de force. Nous pouvons ainsi mesurer la loi (force, déplacement) que nous essaierons de reproduire par simulation. Pour améliorer encore la validation du simulateur, nous comparerons avec la surface de l'objet déformé, mesurée à l'aide d'un balayage laser, comme montré a droite de la Figure 5.

Figure 5 : Fantôme de sein. Gauche: essai mécanique à l'aide d'un bras de robot. Milieu: surface reconstruite à l'aide d'un plan laser. Droite : simulation par éléments finis

Nous avons également soumis ce fantôme à une compression sous une plaque de poids connu, et acquis sa forme en IRM, comme présenté sur la Figure 6. L'objet contient des nodules internes qui nous serviront à valider le champ de déplacement à l'intérieur de l'objet.

Figure 6 : En haut, acquisition IRM du fantôme de sein muni de nodules internes en position neutre (bleu), et déformé par un objet pesant (rouge). En bas, validation du simulateur par comparaison des déformations simulées (bleu) et acquises (rouge).

MODELES BIOMECANIQUES ET VALIDATION DES DEFORMATIONS SIMULEES DU MUSCLE

MODELISATION FONCTIONNELLE DU MUSCLE (INRIA-DEMAR)

L’INRIA-DEMAR a récemment publié un article sur la modélisation du comportement électromécanique des muscles squelettiques basée sur la formulation de Huxley. Le modèle proposé respecte le comportement macroscopique connu des muscles striés où les relations force-longueur et force-vitesse et les propriétés de Mirsky–Parmley sont prises en compte. L'article est disponible sur l'onglet Publications.

Durant son stage de Master 2, Yacine Berranen a eu pour objectifs principaux d’étudier la faisabilité de l’application de forces internes sur un modèle approchant la structure du muscle sur SOFA framework, permettant de définir la voie à suivre pour la modélisation de cet organe. Nous avons choisi d’étudier comme structure un cylindre car il approchait de manière idéalisée la structure d’un muscle squelettique, auquel nous avons appliqué des forces internes afin de modéliser une contraction. Puis on a étudié la réponse aux forces internes selon le modèle de déformation choisi, puis effectué différents tests sur les paramètres élastiques de chaque modèle et leur influence sur le comportement du cylindre.

Figure 7 : Cylindre avec maillage « élément-finis » à base de tétraèdre avant stimulation et après stimulation. La partie du milieu a élément contractile.

Vidéo représentant les travaux réalisés par Yacine.

METHODE DE DEFORMATION BASEE ‘REPERE’(INRIA-EVASION)

Parallèlement, nous avons développé une méthode physique pour simuler la déformation des tissus mous « passifs » (pas de contraction musculaire). L’idée a été d’appliquer la physique des milieux continus à un champs de déformation défini par des repères mobiles et non des maillages classiques. Cela permet de simuler des grandes déformations (e.g., flexions, torsions) avec très peu de degrés de liberté comparativement aux éléments finis, tout en gardant la même précision physique. Cette année, nous avons proposé de nouvelles fonctions de formes incorporant la raideur des matériaux. Ces deux contributions ont été publiées et présentées cette année à la conférence SIGGRAPH (voir ici)

Figure 8 : Simulation temps-réel du genou dans SOFA avec prise en compte des differentes radieurs (os, muscle, ligaments, graisse).

DEVELOPPEMENT DU SIMULATEUR ET VALIDATION

Les travaux realisés cette année se sont focalisés sur l’intégration des modèles dans la plate-forme SOFA.
Nous avons débuté cette etape par la mis en place d'un système articulé, puis nous avons intégré un modèle fonctionnel du muscle. Pour cela nous avons utilisé la représentation du muscle proposé par D.G Thelen en 2003 qui est un modèle de Hill amélioré. Il s’agit d’un modèle classique qui permettra des comparaisons avec l’état de l’art (e.g., logiciel opensim). La prochaine étape etant l’intégration du modèle fonctionnel présenté dans MODELISATION FONCTIONNELLE DU MUSCLE .
Pour la gestion des modèles anatomiques et la création simple par des médecins de scénarii de simulation, nous avons travaillé avec le professeur d’anatomie Olivier Palombi sur une base de donnée médicale : « My Corporis Fabrica » (voir image ci-contre). Celle-ci contient maintenant 80 000 entités du corps humain (muscle, os, articulation, peau, tendon …) et les fonctions liées à ces entités (flexion hanche, contraction quadriceps …), avec tous ces éléments organisés et mis en relation par une ontologie.

Figure 9 : My Corporis Fabrica.


L’originalité de cette ontologie est de lier la connaissance médicale universelle avec des données numériques réelles et spécifiques au patient, et ainsi de pouvoir et paramétrer des simulations de manière plus automatique. A partir de My Coporis Fabrica, il est à l’heure actuelle possible de créer des simulations SOFA incluant la cinématique articulaire, les contacts, et des modèles fonctionnels de muscles.

Figure 9 : Simulation dans SOFA de l’extension/ flexion du genou, adduction/adduction de la hanche grâce à des modèles musculaires fonctionnels.

Figure 10 : Intéraction entre les différents applications utilisés dans SOHUSIM

UTILISATION DU SIMULATEUR / DEMONSTRATEUR

Le but de cette tâche du projet est d’étudier l’interaction entre des dispositifs médicaux et le corps humain. Les dispositifs étudiés dans le projet sont principalement un lit médicalisé actif et une orthèse de genou. En particulier, le modèle d’orthèse étudié sera le VarStiff, conçu par la société FATRONIK/TECNALIA, dont la conception pourrait bénéficier de simulations virtuelles réalisées en amont.
Il est possible de coupler cette orthèse avec un exosquelette pour suppléer les muscles. Il a ainsi paru nécessaire de pouvoir intégrer dans le simulateur des dispositifs mécatroniques commandés. Dans ce cadre nous avons travaillé cette année sur l’import automatique dans SOFA d’assemblages mécaniques conçus dans le logiciel standard solidworks, ainsi que sur l’utilisation de boucles de commandes prototypées de manière classique dans matlab.

Figure 9 : synchronisation entre SOFA et Matlab.

Figure 10 : Exemple d‘orhtèse de poignet realisé avec le matériau intelligent Varstiff.

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