Les avancées récentes en matière d'animation ont permis le déploiement de personnages virtuels à des fins diverses et variées. Les signeurs virtuels sont des personnages en trois dimension s'exprimant en langue des signes et permettant la diffusion de messages aux personnes sourdes et malentendantes signantes de manière anonyme et modulaire. Cependant, la génération d'animations pour ces personnages dépend de la description lexicale des signes, modèle linguistique dépendant du système de génération. Les signes décrits par ces modèles sont généralement des réalisations parfaites et géométriques menant à des mouvements robotiques et peu naturels de la part du signeur. Cette thèse s'intéresse à l'addition d'informations anatomiques au squelette de contrôle du personnage virtuel de manière à le faire signer de manière plus humaine et réaliste. Ces informations supplémentaires sont regroupées sous l'appellation de "modèle anatomique" et sont divisées en cinq contributions principales : une nouvelle représentation informatique du squelette, une étude anthropométrique sur la main, l'unification de dépendances articulatoires, un nouveau modèle de complexe carpo-métacarpien permettant l'opposition aisée du pouce et enfin un modèle calculant le confort d'une posture. Ces apports sont intégrés à une plateforme de génération au moyen de techniques adaptées aux contraintes imposées par les modèles linguistiques. Les travaux sont conclus par une évaluation du système ainsi qu'une réflexion sur les travaux futurs pouvant être élaborés à partir de cette thèse.

e projet a permis de créer un modèle dynamique permettant d'observer les effets de l'accélération provenant de l'explosion d'une mine Anti-Véhicule (AV) sur les occupants de véhicule blindé léger. Le but du modèle est de prédire les lésions issues de ces accélérations. Ces prédictions permettent de tester et de mettre au point différents systèmes de protection pour les occupants. Il a tout d'abord été démontré que l'utilisation d'une tour de chute verticale permettait de reproduire les accélérations globales subies par le véhicule lors de l'explosion. Différents modèles dynamiques ont démontré qu'avec ces données d'accélération, un modèle à segments corporels rigides est suffisant pour représenter grossièrement la cinématique de chacun des segments lors de l'explosion. Les efforts internes aux segments, provoquant de toute évidence les lésions, calculés à l'aide du type de modèle mentionné plus haut semblent erronés. Par conséquent, une deuxième phase du projet a consisté à améliorer un modèle simple à segments corporels rigides par une représentation anatomique plus réaliste. Étant donné l'ampleur d'un tel travail, les travaux se sont concentrés sur le cou, apparemment plus susceptible aux lésions. Le modèle est basé sur LS-Dyna (v971, Livermore Software Technology Corporation, Livermore, CA, USA) et a été exécuté sur le système de calcul sériel Mammouth du Réseau québécois de calcul de haute performance afin d'accélérer le temps de calcul. Les résultats démontrent des déformations et des taux de déformation très élevés pour les muscles, ligaments et fasciae du cou. De plus, le modèle nous a permis d'identifier une séquence de lésion particulière. La première structure lésée est le ligament nucal, suivi du ligament antérieur. Les lésions arrivent plus spécifiquement au niveau CO-C1, à la base du crâne.

Les avancées récentes en matière d'animation ont permis le déploiement de personnages virtuels à des fins diverses et variées. Les signeurs virtuels sont des personnages en trois dimension s'exprimant en langue des signes et permettant la diffusion de messages aux personnes sourdes et malentendantes signantes de manière anonyme et modulaire. Cependant, la génération d'animations pour ces personnages dépend de la description lexicale des signes, modèle linguistique dépendant du système de génération. Les signes décrits par ces modèles sont généralement des réalisations parfaites et géométriques menant à des mouvements robotiques et peu naturels de la part du signeur. Cette thèse s'intéresse à l'addition d'informations anatomiques au squelette de contrôle du personnage virtuel de manière à le faire signer de manière plus humaine et réaliste. Ces informations supplémentaires sont regroupées sous l'appellation de "modèle anatomique" et sont divisées en cinq contributions principales : une nouvelle représentation informatique du squelette, une étude anthropométrique sur la main, l'unification de dépendances articulatoires, un nouveau modèle de complexe carpo-métacarpien permettant l'opposition aisée du pouce et enfin un modèle calculant le confort d'une posture. Ces apports sont intégrés à une plateforme de génération au moyen de techniques adaptées aux contraintes imposées par les modèles linguistiques. Les travaux sont conclus par une évaluation du système ainsi qu'une réflexion sur les travaux futurs pouvant être élaborés à partir de cette thèse. / Recent progresses in animation have allowed the use of virtual character to many extents. Virtual signers (or signing avatars) are three-dimension characters expressing themselves in sign language. These characters allow the the broadcasting of audio information to deaf and hearing-impaired signers in an anonymous and modular fashion. However, automatic generation of animation for such characters strongly rely on the lexical description of signs. Signs described through these models are usually perfect and geometric performances leading to robotic and unrealistic movements. These thesis focuses on adding information to the control skeleton of the signer to help him perform signs in a more human and realistic way. Such information are grouped under the name of "anatomic model" and are divided in five main contributions : a new computer-based description of the skeleton, an anthropometric study of the hand, the merging of articulatory dependencies, a new model of the carpo-metacarpal complex allowing an easier opposition of the thumb and finally a model computing posture comfort. These contributions are then implemented in a generation system through linguistic contraints-adapted techniques. The study ends with an evaluation of the system and a the presentation of future prospects.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous somme focalisés sur deux objectifs complémentaires. Le premier concerne l'évolution de la méthode du Gabarit Déformable Elastique (GDE) pour l'extraction semi-automatique de l'anatomie et du mouvement cardiaque, développée au laboratoire Creatis. Un travail a d'abord été réalisé sur une base de données de 45 patients afin de mettre en évidence les points forts et les points faibles de l'algorithme, notamment la difficulté à suivre des déformations trop importantes ou des formes inhabituelles. Puis, différents types de contraintes ont été intégrées au modèle GDE afin d'en améliorer les performances : prescription locale ou dense de déplacements, directionnalité de la déformation contrainte par celle des fibres. Les contraintes proposées sont évaluées sur des données de synthèse et des données réelles en IRM ciné et de marquage tissulaire acquises chez l'homme. Parallèlement, une étude a été réalisée pour mettre en place la méthodologie nécessaire à l'extraction et l'analyse statistique de la déformation des fibres myocardiques. Ce travail a été effectué en collaboration avec une équipe du Auckland Bioengineering Institute en Nouvelle-Zélande. Un modèle biomécanique par éléments finis intègre la direction principale des fibres en tout point du ventricule gauche issue d'acquisitions en IRM du tenseur de diffusion (IRM-TD) sur coeurs humains ex vivo et le mouvement issu de séquences IRM marquées. Cette combinaison permet l'estimation de la déformation des fibres et sa variation durant le cycle cardiaque. La variabilité dans la déformation des fibres est étudiée statistiquement à travers le croisement d'une base de données IRM-TD et d'une base de données IRM marquées.

Contexte: Les bénéfices associés à l’utilisation de sujets cadavériques en enseignement médical sont bien documentés et la maîtrise des dernières techniques endovasculaires est essentielle à la pratique quotidienne des chirurgiens vasculaires. Notre étude démontre la faisabilité d’élaborer un modèle cadavérique humain avec perfusion artério-veineuse antérograde pulsatile et chauffée pour une simulation endovasculaire fiable et reproductible. Méthodes: La canulation de sept sujets cadavériques conservés en solution saturée en sel a été réalisée pour permettre une perfusion centrale gauche-droite avec une solution chauffée, de l’aorte ascendante vers l’oreillette droite. Pour ce faire, nous avons utilisé des fistules artério-veineuses carotido-jugulaire et fémoro-fémorale créées chirurgicalement. Une pulsatilité de plus de 4.5 litres par minutes a été atteinte grâce à un prototype de pompe abordable conçue par des ingénieurs biomédicaux. La pression artérielle invasive et la température étaient contrôlées. Des séances de formation pour des procédures endovasculaires aortiques et des manipulations chirurgicales ouvertes ont été réalisées avec ce modèle. Résultats: Une perfusion cadavérique efficace a été possible pendant plusieurs heures, non seulement par voie artério-artérielle mais aussi avec une circulation artério-veineuse. La pression artérielle et les températures in situ ont reproduit fidèlement les fonctions vasculaires pour offrir des conditions similaires à la réalité. Ce nouveau modèle a permis de réaliser avec succès la mise en place d’une endoprothèse aortique thoracique (TEVAR), l’insertion d’un stent à l’artère sous-clavière gauche, et une simulation de la prise en charge chirurgicale ouverte d’une hémorragie sur traumatisme vasculaire. La méthode de conservation en solution saturée en sel et une pompe spécialement conçue ont amélioré la compétitivité des coûts. Conclusion: La simulation endovasculaire sur des sujets cadavériques, optimisée grâce au système de perfusion pulsatile et chauffé, peut être un complément dynamique à la formation chirurgicale et pour se familiariser avec de nouveaux instruments. Cet outil pédagogique reproductible pourrait trouver sa place dans tous les programmes d’enseignement chirurgical. / Abstract Background: The benefits of using cadaveric human subjects in surgical training are well documented and knowledge of the latest endovascular techniques is essential in the daily practice of vascular surgeons. Our study demonstrates the feasibility of developing an affordable human cadaveric model, with pulsatile and heated antegrade perfusion, for reliable and reproducible endovascular or surgical simulation. Methods: Cannulation of seven saturated-salt-solution embalmed human cadavers was undertaken to create a left-to-right central perfusion with a heated solution, from the ascending thoracic aorta to the right atrium. To that end, we used surgically created carotido-jugular and femoro-femoral arteriovenous fistulas. Pulsatile flow rate greater than 4.5 liters per minute was achieved with an affordable prototype pump designed by biomedical engineers. Invasive blood pressure and temperature were monitored. Training for endovascular thoracic aortic procedures and open vascular surgeries was performed using this model. Results: Effective cadaveric perfusion was achieved for several hours, not only with an arterio-arterial pathway but also with arteriovenous circulation. The arterial pressures and in situ temperatures accurately restored vascular functions for life-like conditions. This new model made it possible to successfully perform thoracic endovascular aortic repair (TEVAR), subclavian artery stenting, and simulation of abdominal open vascular trauma management. The saturated salt solution method and a specifically designed pump improved cost competitiveness. Conclusion: Endovascular simulation on human cadavers, optimized with the pulsatile and heated perfusion system, can be a dynamic adjunct for surgical training and familiarization with new devices. This reproducible teaching tool could be relevant in all surgery programs.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous somme focalisés sur deux objectifs complémentaires. Le premier concerne l’évolution de la méthode du Gabarit Déformable Elastique (GDE) pour l’extraction semi-automatique de l’anatomie et du mouvement cardiaque, développée au laboratoire Creatis. Un travail a d’abord été réalisé sur une base de données de 45 patients afin de mettre en évidence les points forts et les points faibles de l’algorithme, notamment la difficulté à suivre des déformations trop importantes ou des formes inhabituelles. Puis, différents types de contraintes ont été intégrées au modèle GDE afin d’en améliorer les performances : prescription locale ou dense de déplacements, directionnalité de la déformation contrainte par celle des fibres. Les contraintes proposées sont évaluées sur des données de synthèse et des données réelles en IRM ciné et de marquage tissulaire acquises chez l’homme. Parallèlement, une étude a été réalisée pour mettre en place la méthodologie nécessaire à l’extraction et l’analyse statistique de la déformation des fibres myocardiques. Ce travail a été effectué en collaboration avec une équipe du Auckland Bioengineering Institute en Nouvelle-Zélande. Un modèle biomécanique par éléments finis intègre la direction principale des fibres en tout point du ventricule gauche issue d’acquisitions en IRM du tenseur de diffusion (IRM-TD) sur coeurs humains ex vivo et le mouvement issu de séquences IRM marquées. Cette combinaison permet l’estimation de la déformation des fibres et sa variation durant le cycle cardiaque. La variabilité dans la déformation des fibres est étudiée statistiquement à travers le croisement d’une base de données IRM-TD et d’une base de données IRM marquées. / In this thesis, we are interested in two complementary goals. First, we have improved the Dynamic Deformable Elastic Template (DET) model, developed at Creatis, for the semi-automatic extraction of the anatomy and cardiac motion. The performance of the method was assessed on a database consisting in 45 patients and yielded fairly accurate results. However, it experienced difficulties when dealing with very large thickening throughout the cardiac cycle. Thus, different type of constraints were integrated to the DET model in order to improve robustness and accuracy : local or dense prescribed displacements, deformations directionally constrained by the fibres. These constraints are evaluated on simulated and real human data, in both cine and tagged MR images. A methodology has also been developed in order to extract and statistically analyse myocardial fibre strain. This work was done in collaboration with a team at the Auckland Bioengineering Institute in New Zealand. A finite elements biomechanical model integrates the principle direction of fibres in the left ventricle from Diffusion Tensor MRI acquisitions on ex vivo human hearts and motion from tagged MRI sequences. Fibre strain and its variation throughout the cardiac cycle were estimated. Variability in fibre strain is statistically studied by joining DT-MRI and tagged MRI databases.