La scoliose idiopathique est une pathologie d'origine multifactorielle entraînant une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Elle apparaît dans la plupart des cas chez les préadolescents en cours de croissance. L'identification précoce des patients présentant un risque réel d'aggravation est nécessaire pour une prise en charge thérapeutique efficace. Cependant elle est difficile avec les moyens d'analyse actuels. L'objectif de cette thèse est de mettre en oeuvre des outils récemment développés en recherche (analyse de la posture et des mobilités, reconstruction géométrique 3D, modélisation en éléments finis) afin de quantifier leur pertinence pour l'évaluation du risque d'aggravation de ces scolioses. Dans le cadre d'une étude clinique prospective multicentrique, l'observation de 72 patients scoliotiques et leur comparaison à des populations de référence (normales, scolioses sévères) a permis une classification par similitude basée sur 6 paramètres descripteurs de la géométrie tridimensionnelle. Les analyses mécaniques complémentaires réalisées à l'aide d'un modèle en éléments finis ont permis, dans certains cas, d'objectiver un risque d'aggravation. Ces outils apportent aux cliniciens de nouveaux moyens d'identification des scolioses évolutives ce qui leur permet d'engager très précocement un traitement adapté à la situation biomécanique de chaque patient.

L'arthroplastie du genou se généralise et concerne désormais des patients plus jeunes. La gonarthrose, terme spécifique pour décrire l'arthrose du genou, est à l'origine de l'arthroplastie. C'est à partir d'une évaluation radiologique, réalisée dans le plan frontal, que la déviation angulaire du membre inférieur est quantifiée (gonométrie) et que le geste chirurgical est planifié. Une revue de la littérature montre que cette méthode de mesure est cependant très critiquée. Ce travail s'appuie sur une méthode existante: la reconstruction tridimensionnelle du genou à partir de la stéréoradiographie. Afin de transférer cette technique vers la clinique notre objectif a été de mettre en place une recherche sur le développement des outils de mesure, permettant de suivre en trois dimensions l'évolution de la déviation des axes du membre inférieur avant, pendant et après une pose de prothèse de genou. Les résultats montrent que le protocole de reconstruction tridimensionnel du genou à partir de la stéréoradiographie est opérationnel en milieu clinique. Pour la morphométrie, l'erreur moyenne de reproductibilité inter observateur est inférieure à 1 mm, sur le fémur et le tibia réunis. Pour la morphologie, qui s'appuie sur la gonométrie 3D, l'erreur est évaluée pour 95% des essais à 1,6°, à l'exception de certaines mesures qui s'appuient sur des repères anatomiques peu reproductibles actuellement. 14 chirurgies assistées par ordinateur ont été réalisées. La plateforme de navigation est un moyen de quantifier précisément le geste réalisé, c'est avant tout un outil de mesure. Enfin la gonométrie 3D postopératoire est également accessible via la stéréoradiographie. Le protocole 3D pre, per et postopératoire d'analyse de la déviation des axes du membre inférieur est opérationnel, il a pu être appliqué en milieu clinique sur genou pathologique.

Le remplacement du disque intervertébral par une prothèse est une procédure chirurgicale innovante au rachis cervical. Le but de notre travail était d'étudier fonctionnement biomécanique de prothèses discales cervicales, en tenant compte de l'effet des éléments anatomiques après implantation, avec un intérêt spécifique pour l'influence de la variation de la géométrie des implants. La modélisation en éléments finis en 3D nous a permis de constater que les déplacements et les contraintes dans la prothèse et dans les facettes articulaires varient en fonction des paramètres géométriques (rayon et centre) dans le cas de des prothèses à emboîtement sphérique. Malgré une grande variabilité interindividuelle in vivo, l'analyse cinématique des radiographies dynamiques de deux séries de patients porteurs de prothèses à emboîtement sphérique différentes nous a permis observer l'influence de la position du centre géométrique sur le centre moyen de rotation en flexion / extension. Le développement de la stéréoradiographie EOS® pour le rachis cervical nous a conduit d'abord à valider l'utilisation de ce système puis a permis d'étudier un type différent de prothèse (à plateau mobile) dans des déplacements 3D. Nos résultats montrent l'importance des paramètres géométriques des prothèses articulées cervicales. L'interaction cinématique de la prothèse implantée avec les autres éléments du segment mobile rachidien suggère l'intérêt de la modélisation personnalisée dans la prise en charge des patients.

L'analyse du comportement du système musculo-squelettique est indispensable à la compréhension de pathologies ou de l'efficacité du geste sportif. Les modèles, représentants un sujet moyen, permettent l'identification de tendance. Cependant, leurs résultats sont limités à la plage de population qu'ils représentent. Il est donc nécessaire d'adapter leurs géométries et propriétés mécaniques afin de simuler le plus fidèlement possible le comportement biomécanique. L'IRM est l'outil de référence pour la construction de modèle personnalisé tridimentionnel. Cependant, son coût, sa disponibilité et les méthodes de reconstructions limitent son utilisation. Récemment, les développements de la stéréoradiographie, avec le système EOS®, et des techniques ultrasonores, avec l'élastographie ShearWave, ouvrent de nouvelles voies pour la personnalisation des modèles. Le but de ce travail était de proposer une nouvelle méthode pour la construction d'un modèle musculo-squelettique personnalisé, en position érigée, du membre inférieur combinant stéréoradiographie et ultrasons. Tout d'abord, des repères osseux robustes sur images IRM ont été définis pour construire un modèle de référence en position debout. Ensuite, la personnalisation de la géométrie osseuse et de l'enveloppe externe est obtenue par stéréoradiographie. Ces premières informations personnalisées sont utilisées pour estimer la géométrie des muscles. Ce modèle pré-personnalisé est déformé pour correspondre à la géométrie réelle des muscles obtenue par échographie. Cette méthode possède plusieurs avantages. Elle passe outre l'assemblage de coupes échographiques et de supprime la segmentation manuelle complète des coupes. Enfin, un protocole de mesure des propriétés mécaniques par élastographie ShearWave a été présenté. Les propriétés élastiques des muscles du membre inférieur peuvent alors être définies. / The analysis of the behavior of the musculoskeletal system is essential to understand diseases or effectiveness of the sporting gesture. Models, which represent a 50-percentile subject, allow tendencies identification. However, results are limited to the range of people they represent. Their geometry and mechanical properties must be personalized to simulate as closely as possible the biomechanical behavior. MRI is the reference device for the construction of three-dimensional personalized models. However, the cost, the availability and methods of reconstruction limit its use. Recent developments in stereoradiography, with the EOS® system, and in ultrasonic field, with ShearWave elastography, open up new horizons. The aim of this work was to propose a new method for building a personalized musculoskeletal model of lower limb combining stereoradiography and ultrasound, in standing position. First, robust bony frame on MR images were defined to build a reference model. Then, the personalized bones and external envelope geometries were obtained by stereoradiography. This first personalized information was used to estimate muscles geometry. This pre-personalized model was deformed to match the real muscle geometry obtained by ultrasound. This method has several advantages. It overrides the assembly of ultrasound cuts and removes the complete manual segmentation. Finally, a protocol for measuring the mechanical properties ShearWave elastography was introduced. Thus, the muscles elastic properties of the lower limb can then be defined in the model.

L'utilisation de modèles en éléments finis du corps humain a été initiée au début des années 90 comme outil d'aide à la conception de dispositifs de sécurité automobile. Obtenir une personnalisation géométrique de tels modèles est une préoccupation récente afin d'en optimiser la biofidélité. Le but de cette étude est donc d'accroître notre compréhension des géométries externes et internes du corps humain, et fournir des outils de personnalisation de modèles numériques. En premier lieu, une base de données géométriques externes (anthropométrie corps entier) et internes(morphométrie du rachis, du bassin et du thorax) collectées sur 85 volontaires a été constituée à l'aide de mesures anthropométriques classiques et des méthodes de reconstruction stéréoradiographiques tridimensionnelles. L'exploitation de cette base de données a abouti à une description détaillée des géométries externes et internes de sujets asymptomatiques. Elle a également permis de développer et évaluer une méthode statistique d'estimation de paramètres anthropométriques (externes) et morphométriques (internes) basée sur près de 200 modèles anthropométriques (i.e. régressions linéaires simples et multiples) externe/externe et externe/interne. Grâce à cette méthode, 10 mesures anthropométriques suffisent pour modéliser la géométrie externe (43 dimensions du corps entier assis et debout) et interne (155 dimensions du bassin, vertèbres C3 à L5, et côtes niveaux 1 à 10) d'un individu (errreur moyenne: 2,3%(2

Le vieillissement de la population des pays industrialisés s'accentuant, des pathologies liées à l'âge telles que l'ostéoporose, posent des problèmes majeurs de santé publique. Les praticiens et les autorités de santé publique sont à la recherche d'outils de diagnostic et de dépistage du risque fracturaire. La mesure de la densité minérale osseuse (DMO) par DXA fait actuellement référence dans l'évaluation du risque fracturaire de l'extrémité supérieure du fémur, mais cette technique a toutefois des limites: il existe un chevauchement des valeurs de DMO entre les sujets fracturés et les sujets non fracturés. Par ailleurs, plusieurs études cliniques ont montré que des paramètres macro-architecturaux étaient des facteurs déterminants de la solidité osseuse, mais ces mesures étant bidimensionnelles, elles sont dépendantes des biais de projection 2D. L'objectif de notre étude est de mettre au point un outil permettant d'associer mesures DMO et géométrie 3D afin de prédire d'une meilleure manière le risque fracturaire. Pour ce faire, nous nous sommes basés sur un système de stéréoradiographie basse dose (le système EOS

La connaissance précise de l'anatomie du membre inférieur ainsi que les anomalies angulaires suivant les trois plans anatomiques a une importance majeure dans la routine clinique pour le diagnostic, les applications thérapeutiques et/ou pour le planning chirurgical. C'est pour ces raisons qu'il est fondamental d'aborder ces connaissances en trois dimensions. Dans le cadre d'une collaboration franco-québécoise, le Laboratoire de Biomécanique (Paris) et le Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie (Montréal) ont développé des méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes issues du système EOS™ (Biospace Med, Paris). Ces techniques permettent une analyse clinique en position debout et avec de basses doses d'irradiation. Bien que très précises, ces approches présentent le grand désavantage de ne pas permettre un déploiement en routine clinique en raison du temps de reconstruction élevé. L'objectif de cette thèse était donc d'adapter les méthodes de reconstruction 3D pour la modélisation du membre inférieur et le calcul des indices cliniques en présence de déformations structurales. Dans ce but, nous avons proposé et évalué une méthode de reconstruction du membre inférieur s'appuyant sur des modèles paramétrés de fémurs et de tibias et des inférences statistiques. Cette méthode vise à une estimation très rapide (1 minute) d'un premier modèle dit « simplifié » du membre inférieur à partir duquel un groupe d'indices cliniques restreint peut être calculé. A la base du modèle « simplifié », nous avons calculé une reconstruction 3D précise du membre inférieur en un temps relativement réduit (5 minutes). Finalement, et à partir de ce dernier modèle, nous avons exploré et validé différents modes de calcul d'un éventail plus large d'indices cliniques (incluant les torsions et rotations) afin d'en déduire les plus robustes et pertinents qui pourraient être standardisés pour une utilisation en clinique. Ce travail de thèse ouvre des perspectives concrètes en terme d'utilisation de telles méthodes en pratique clinique, en particulier pour la planification des ostéotomies et des chirurgies pour la pose de prothèse.

Pour comprendre et diagnostiquer des pathologies telles que l'ostéoporose, qui est un problème majeur de santé publique et, est un facteur de risque important de fractures notamment la Fracture de l'Extrémité Supérieure du Fémur (FESF), il est essentiel d’aborder ces problématiques en trois dimensions (3D) pour fournir au praticien un outil de diagnostic et de dépistage du risque fracturaire. De plus, la visualisation en 3D de l'anatomie joue un rôle important dans le domaine de la chirurgie orthopédique guidée (assistée par ordinateur). En préopératoire, pour la planification chirurgicale ou la conception de prothèses sur mesure, en per opératoire, pour assister le chirurgien durant l'acte chirurgical et enfin en postopératoire pour le suivi. La reconstruction de modèles anatomiques en 3D peut être réalisée par l'utilisation de techniques d'imagerie 3D directes telles que la tomodensitométrie. Cependant, l'utilisation d'une telle imagerie est limitée à des procédures complexes en raison des contraintes imposées par le coût, la disponibilité et les risques de radiation pour le patient. Ainsi, l'alternative à ce type d'imagerie 3D est de développer des méthodes de reconstruction 3D qui s'appuient uniquement sur quelques radiographies 2D. L'objectif principal de cette thèse est de proposer une technique permettant de reconstruire de façon automatique une surface 3D du fémur proximal à partir d'un nombre restreint de radiographies. Les études précédentes sur la reconstruction de surface ont généralement besoin de connaissances supplémentaires comme l'utilisation d'un modèle générique ou statistique 3D de la forme à reconstruire. La méthode décrite dans cette thèse nécessite seulement les coordonnées 3D de points calculées à partir de quelques paires de clichés radiographiques. Deux approches sont proposées. La première méthode repose sur la mise en correspondance de contours extraits de paires de radiographies et sur un modèle mathématique basé sur le principe de la stéréovision pour le calcul d'un nuage de points 3D. La deuxième technique utilise les résultats de l’approche précédente ainsi que des points extraits d’un autre fémur pour améliorer la précision au niveau de certaines régions sensibles choisies par l’opérateur. La reconstruction du modèle surfacique à partir des nuages de points obtenus par les deux techniques est obtenue par un maillage basé sur l'équation de Poisson. Un recalage 3D/3D est effectué entre le nuage de points calculé et le nuage de points extrait du modèle générique connu ("Gold Standard" obtenu avec des coupes CT-Scan) du même fémur proximal afin de pouvoir comparer la surface reconstruite à un modèle "vérité terrain" et ainsi estimer la précision de la méthode. / To understand and diagnose pathologies such as osteoporosis, which is considered as a major public health issue and, an important risk factor of fractures in particular the proximal femur fracture. The classical tools of diagnosis are mainly based on the analysis of X-rays photographs. These techniques have shown many limitations to carry out the key information for the physician. Through the last decade the 3D visualization of anatomy demonstrated the effectiveness for analysis and diagnosis, particularly for the guided orthopedic surgery (computer aided). In preoperative, for the surgical planning or the design of prostheses, in per operative, to assist the surgeon during the surgical act and finally in postoperative for the monitoring. It is also essential to provide the practitioner with a 3D tool for the diagnosis and analysis of the osteoporosis and the fracture risk. Reconstruction of 3D anatomical models can be achieved by the use of direct 3D imaging modalities such as Computed Tomography. However, such technique is limited to complex procedures because of the constraints imposed by cost, availability and risk of radiation to the patient. Thus, the alternative to this kind of 3D imaging is to develop methods for 3D reconstruction which are based only on few 2D radiographs. The main objective of this work is to propose a tool able to reconstruct automatically a 3D surface of the proximal femur from a limited number of X-ray images. Previous studies on the reconstruction of surfaces usually need additional knowledge such as the use of a 3D generic or statistical model of the shape to be reconstructed. The method described in this thesis requires only the 3D coordinates of points calculated from a few pairs of radiographs. Two approaches are proposed. The first method is based on the matching of extracted contours from pairs of radiographs and on a mathematical model based on the principle of the stereovision for the calculation of a 3D point cloud. The second technique uses the results of the previous method as well as new points, chosen by an operator from another proximal femur to improve accuracy at sensitive areas. The reconstruction of the surface model from this cloud of points is obtained by a meshing based on the Poisson's equation. A 3D/3D registration is made between the cloud of the calculated points and the cloud of the extracted points from the generic model ("Gold Standard" obtained with CT-Scan) of the same proximal femur in order to compare the reconstructed surface with a model "ground truth" and thus estimate the accuracy of the method.