La scoliose est une déformation du rachis dans les trois plans de l'espace. Cette déformation est évolutive pendant toute la croissance. Les enjeux sont pronostics et thérapeutiques. L'étude de la déformation scoliotique en 3D grâce aux méthodes d'imagerie actuelles a permis de décrire un schéma spécifique 3D de scoliose évolutive à partir de paramètres du plan transversal. Ce schéma spécifique 3D est indépendant de la topographie de la scoliose et apparaît tôt dans l'évolution de la scoliose. Prédire l'aggravation mène à pouvoir anticiper le traitement pour les scolioses à risque. Le traitement conservateur par corset reste le traitement de choix en période de croissance. Mais il n'est pas consensuel. L'étude de l'effet en 3D des corsets, au cas par cas, a permis de montrer la grande variabilité de l'effet des corsets sur l'ensemble des paramètres 3D rachidiens et pelviens. Les corsets prennent appui sur la cage thoracique. Leur effet sur la forme 3D de la cage thoracique est mal connu par manque de méthode d'analyse fiable et reproductible en position debout validée chez les patients scoliotiques. La méthode de reconstruction 3D de la cage thoracique à partir de radiographies biplanaires calibrées, développée et validée au LBM chez des patients sains, a fait l'objet dans ce travail, d'une validation chez les patients scoliotiques. L'accès à la morphologie 3D du rachis et de la cage thoracique a donc permis d'étudier de façon préliminaire l'effet des corsets sur la cage thoracique. Cette étude a montré une grande variabilité de l'effet des corsets et a permis de poser les bases de futures études cliniques et biomécaniques visant améliorer la compréhension de l'effet 3D des corsets sur le rachis et la cage thoracique.

La scoliose idiopathique est une déformation tridimensionnelle du tronc, affectant le rachis et la cage thoracique. La stéréoradiographie basse dose EOS permet une analyse personnalisée en 3D de la géométrie du squelette en position debout. L'objectif de cette thèse est d'améliorer l'évaluation quantitative en routine clinique des résultats chirurgicaux, et d'y intégrer l'étude de la morphologie de la cage thoracique. Dans un premier temps, les outils, méthodes et protocoles nécessaires à une telle évaluation ont été mis en place et validés. En particulier, l'incertitude des reconstructions des déformations sévères et des rachis instrumentés a été quantifiée pour la première fois. La méthode a ensuite été appliquée à une série d'adolescents opérés de scoliose thoracique idiopathique par translation postéromédiale. La première partie de l'analyse quantitative a porté sur le rachis instrumenté, en incluant un nouvel axe de référence pour apprécier l'équilibre. Les résultats ont permis d'évaluer la correction obtenue dans le plan axial par cette méthode. La seconde partie de l'étude a porté sur les modifications postopératoires observées au niveau du rachis cervical. Une amélioration de l'alignement sagittal de ce segment non instrumenté, corrélée à la restauration de la cyphose thoracique, a été mise en évidence. La stéréoradiographie a enfin permis de faire une analyse descriptive de la morphologie endo et exothoracique d'un groupe de 80 adolescents suivis pour scoliose thoracique idiopathique, et d'étudier les corrélations entre paramètres quantitatifs thoraciques et rachidiens et épreuves fonctionnelles respiratoires. La méthode de modélisation du thorax a finalement été appliquée pour caractériser les modifications postopératoires. Ces travaux ont ainsi confirmé l'intérêt de l'analyse 3D du rachis et du thorax dans l'évaluation en routine clinique des résultats chirurgicaux de scolioses idiopathiques.

La sécurité routière est un enjeu majeur de santé publique et de protection des personnes. D'après l'organisation mondiale de la santé (OMS), près de 1,2 millions de personnes meurent chaque année dans le monde suite à des accidents de la route (2015). D’après des données accidentologiques, 36,7% des blessures graves ont pour origine des lésions au thorax (Page et collab., 2012). La biomécanique en sécurité passive a pour rôle d'améliorer notre compréhension du corps humain dans le but de construire de meilleurs outils pour évaluer le risque de blessure.Les modèles numériques d'être humain sont employés pour simuler virtuellement les conditions d'un accident. Aujourd'hui, ils sont de plus en plus utilisés par les constructeurs automobiles et équipementiers pour mieux comprendre les mécanismes lésionnels. Cependant, ils n’existent que dans certaines tailles et ne prennent alors pas en compte les variations morphologiques observées dans la population.L'imagerie médicale 3D donne accès aux géométries des différentes structures anatomiques composant le corps humain. Les hôpitaux regorgent aujourd'hui de quantités d'images 3D couvrant une très large partie de la population en termes d'âge, de corpulence et de sexe.L’objectif global de cette thèse est de modéliser statistiquement la géométrie 3D de la cage thoracique à partir d'images médicales afin de personnaliser un modèle numérique de corps humain pour simuler par éléments finis des conditions de choc automobile. Le premier objectif est d’élaborer un protocole de segmentation une base de CT-scans de manière à obtenir des données géométriques adaptées à la construction d’un modèle statistique de forme de la cage thoracique.Le deuxième objectif est de construire un modèle statistique de forme de la cage thoracique, en prenant en compte sa structure articulée.Le troisième objectif est d’utiliser le modèle statistique de la cage thoracique pour déformer un modèle numérique d’être humain, de manière à étudier l’influence de certains paramètres sur le risque de blessure. / Road safety is a major issue of public health and personal safety. According to the World Health Organization (WHO), nearly 1.2 million people die each year worldwide due to road accidents (2015). According to accident data, 36.7% of serious injuries are caused by thoracic injuries (Page et al., 2012). The aim of biomechanics in passive safety is to improve our understanding of the human body in order to build better tools for assessing the risk of injury.Numerical human body models are used to virtually simulate the conditions of an accident. Today, they are increasingly used by car manufacturers and equipment manufacturers to better understand injury mechanisms. However, they exist only in few sizes and do not take into account the morphological variations observed in the population.3D medical imaging gives access to the geometries of the different anatomical structures that make up the human body. Today, hospitals are full of 3D images covering a very large part of the population in terms of age, body size and sex.The overall objective of this thesis is to statistically model the 3D geometry of the rib cage from medical images in order to personalize a numerical human body model to simulate car crash conditions.The first objective is to develop a segmentation process based on CT-scans in order to obtain geometric data adapted to the construction of a statistical model of shape of the rib cage.The second objective is to build a statistical model of the shape of the rib cage, taking into account its articulated structure.The third objective is to use the statistical model of the rib cage to deform a numerical human body model, in order to study the influence of certain parameters on the risk of injury.

En Union Européenne les accidents frontaux font 28% des accidents routiers et sont responsables de 49% de mortalité, les fractures thoraciques étant la cause principale de décès. Les modèles en éléments finis du corps humain sont un outil important pour la simulation de chocs réels et la prédiction des risques d'endommagement. Cette thèse a permis de développer un modèle simple en éléments finis de la cage thoracique suffisamment souple d'utilisation et facilement paramétrable. Ce modèle est validé expérimentalement avant d'être utilisé pour une étude paramétrique. Cette étude a permis de caractériser l'influence de différents paramètres structurels et géométriques sur le comportement de la cage thoracique sous chargement dynamique. Le travail réalisé au cours de cette thèse est divisé en trois parties : Modélisation de la cage thoracique entière avec des éléments finis de type poutre dont les propriétés mécaniques sont déterminées à partir d'essais de flexion trois points sur des segments de côtes et complétées par des éléments de la littérature, Validation du modèle dont les résultats sont suffisamment proches des résultats des essais de chargement dynamique antéro-postérieur menés par Vezin et Berthet [Vez09], Etude paramétrique sur l'influence paramètres, géométrie des sections droites et géométrie globale de la cage thoracique (inclinaison des côtes, forme et taille globale de la cage thoracique). A partir de cette étude nous trouvons que le module d'Young et l'épaisseur du cortical ont une influence identique sur la raideur globale de la cage thoracique ainsi que sur la rotation et la déformation des côtes. Avec l'augmentation de ces deux paramètres la rigidité du thorax augmente et le taux de compression maximal diminue. D'autre part les côtes tournent plus et se déforment moins. La raideur des liaisons costo-verterbales a une influence directe sur la rotation latérale qui diminue avec l'augmentation de cette raideur alors que les déformations augmentent ; tandis que la raideur globale de la cage thoracique est légèrement modifiée. L'inclinaison des côtes est le facteur ayant la plus grande influence sur la déformation des côtes et donc sur le risque d'endommagement : plus les côtes sont proches de la direction de chargement la raideur de la cage thoracique augmente et la déformation des côtes augmente / In the European Union, 28% of road accidents are frontal impacts which provoke 49% of fatalities where the thoracic fractures are the main cause of death. The finite element models of the human body are an important tool for the simulation of real impacts and the prediction of damage. This thesis has led to develop a rib cage simplified finite element model sufficiently flexible and easily customizable. First, this model is experimentally validated and then used in a parametric study. This study allowed us to characterize the influence of different structural and geometric parameters on the behavior of the rib cage under dynamic loading. This work is divided into three parts : Modeling the rib cage using beam elements whose mechanical properties are determined by three-point bending tests on rib segments and supplemented from literature, Validating the model by simulating the anteroposterior dynamic loading tests led by Vezin and Berthet [Vez09], Performing a parametric study on the influence of the mechanical parameters (Young modulus, stiffness of costo-vertebral joints), the geometry of the rib sections and the overall geometry of the rib cage (ribs slope, shape and overall size of the rib cage). This study permitted to find that Young modulus and the thickness of the cortical have the same influence on the overall stiffness of the chest as well as on the rotation and deformation of the ribs. By increasing these parameters, the stiffness of the chest increases and the maximum compression ratio decreases. Besides, we'll find more rotation and less deformation of the ribs. The stiffness of the costoverterbal joints has a direct influence on the lateral rotation : it will decrease by increasing of the stiffness while deformation will increase. However, the overall stiffness of the chest is slightly modified by modifying the costovertebral joint stiffness. The initial inclination of the ribs accordingly to the load direction has the greatest influence on the deformation of the ribs and therefore on the damage risk. When the ribs are closer to the loading direction, the stiffness of the rib cage and the deformation of the ribs increases