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Contexte Les troubles fonctionnels de la main sont généralement investigués, en premier lieu, à l’aide de l’imagerie radiographique conventionnelle. Cependant, les radiographies (deux dimensions (2D)) fournissent des renseignements limités, et l’information peut être réduite par le chevauchement des os et les biais de projection. Ce travail présente une méthode de reconstruction de la main en trois dimensions (3D) à partir de radiographies biplanes. Méthode Cette approche consiste en la déformation d’un modèle générique de main sur les radiographies biplanes par des processus manuels et automatiques. L’examen de référence étant la segmentation manuelle scanographique, la précision de la méthode a été évaluée par une comparaison entre les reconstructions à partir de radiographies biplanes et les reconstructions correspondantes à partir de scanner (0,3 mm d’épaisseur de coupe). Pour évaluer la reproductibilité de la méthode, 6 mains saines (6 sujets, 3 gauches, 3 hommes) ont été considérées. Deux opérateurs ont répété trois fois chaque reconstruction à partir de radiographies biplanes pour étudier la variabilité inter- et intra-opérateur. Trois paramètres anatomiques, qui pourraient être calculés automatiquement à partir des reconstructions, ont été considérés à partir des surfaces osseuses : la longueur du scaphoïde, la profondeur de l’extrémité distale du radius et la hauteur du trapèze. Résultats Le double de l’erreur quadratique moyenne (2 Root Mean Square, 2RMS), au niveau de la différence point/surface entre les radiographies biplanes et les reconstructions tomodensitométriques, variait de 0,46 mm pour les phalanges distales à 1,55 mm pour les os de la deuxième rangée. La variabilité inter-/intra-observateur a montré une précision à 95 % de l’intervalle de confiance inférieure à 1,32 mm, pour les paramètres anatomiques, et à 2,12 mm pour les barycentres osseux. Discussion La méthode actuelle permet d’obtenir une reconstruction 3D précise de la main et du poignet par rapport au scanner segmenté traditionnel. En améliorant l’automatisation de la méthode, cela nous permettrait d’obtenir rapidement des informations objectives sur la position des os dans l’espace. L’intérêt de cette méthode réside dans le diagnostic précoce de certaines pathologies ligamentaires (instabilité carpienne) et a également des implications dans la planification chirurgicale et la modélisation personnalisée par éléments finis.

The intervertebral disc is at the center of the functioning of the human being Its biomecha- nical functions are very complex and their degradation may cause major issues for the patient. We present here a synthesis of the state of the art regarding the biomechanics of the lumbar disc as prospects of research and clinical applications coming from recent research done at the Institut de Biom6canique Humaine Georges Charpak.

Séminaire du Groupe de Recherche en Biomécanique des Chocs (GRBC), PARIS, FRANCE, 27-/11/2014 - 27/11/2014; Caractérisation in vivo des propriétés mécaniques des côtes de l'enfant, à partir de tomodensitométrie

3D reconstruction of the spine may cover morphological, mechanical and functional aspects, among others. Since the computer era, rapid progress has been made in the development of practical applications, as well in the analysis of spinal pathophysiology during growth and aging. This technology is particularly usefulfor the planning, simulation and execution of corrective surgery, invention of new procedures, and therapeutic follow-up.

Close collaboration between multidisciplinary specialists (physicists, biomecanical engineers, medical radiologists and pediatric orthopedic surgeons) has led to the development of a new low-dose radiation device named EOS. EOS has three main advantages: The use of a gaseous X-ray detector, invented by Georges Charpak (Nobel Prizewinner 1992), the dose necessary to obtain a 2D image of the skeletal system has been reduced by 8 to 10 times, while that required to obtain a 3D reconstruction from CT slices has fallen by a factor of 800 to 1000. The accuracy of the 3D reconstruction obtained with EOS is as good as that obtained with CT. The patient is examined in the standing (or seated) position, and is scanned simultaneously from head to feet, both frontally and laterally. This is a major advantage over conventional CT which requires the patient to be placed horizontally. -The 3D reconstructions of each element of the osteo-articular system are as precise as those obtained by conventional CT. EOS is also rapid, taking only 15 to 30 minutes to image the entire spine.

Digital human models have become instrumental tools in the analysis of posture and motion in many areas of biomechanics, including ergonomics and clinical settings. These models include a geometric representation of the body surface and an internal linkage composed of rigid segments and joints allowing simulation of human movement. The customization of human models first starts with the adjustment of external anthropometric dimensions, which are then used as input data to the adjustment of internal skeletal segments lengths. While the external data points are more readily measurable using current 3D scanning tools, the scientific challenge is to predict the characteristic points of the internal skeleton from external data only. The Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Arts et Métiers ParisTech) has developed 3D reconstruction methods of bone and external envelope from biplanar radiographs obtained from the EOS system (EOS Imaging, Paris), a low radiation dose technology. Using this technology, this work allowed proposing new external-internal statistical relationships to predict points of the longitudinal skeleton, particularly the complete set of spine joint centers, from a database of 80 subjects. The implementation of this work could improve the realism of current digital human models used for biomechanical analysis requiring information of joint center location, such as the estimation of range of motion and joint loading, Les modèles humains numériques sont devenus des outils indispensables à l’étude de la posture est du mouvement dans de nombreux domaines de la biomécanique visant des applications en ergonomie ou pour la clinique. Ces modèles intègrent une représentation géométrique de la surface du corps et un squelette filaire interne composé de segments rigides et d’articulations assurant leur mise en mouvement. La personnalisation des mannequins s'effectue d’abord sur les dimensions anthropométriques externes, servant ensuite de données d’entrée à l’ajustement des longueurs des segments du squelette en interne. Si les données externes sont de plus en plus facilement mesurables à l’aide des outils de scanning 3D actuels, l’enjeu scientifique est de pouvoir prédire des points caractéristiques du squelette en interne à partir de données uniquement externes. L’Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Arts et Métiers ParisTech) a développé des méthodes de reconstruction des os et de l’enveloppe externe à partir de radiographies biplanes obtenues avec le système basse dose EOS. En s’appuyant sur cette technologie, ces travaux ont permis de proposer de nouvelles relations statistiques externes-internes pour prédire des points du squelette longitudinal, en particulier l’ensemble des centres articulaires du rachis, à partir d’une base de données de 80 sujets. L'application de ce travail pourrait permettre d’améliorer le réalisme des modèles numériques actuels en vue de mener des analyses biomécaniques, principalement en ergonomie, nécessitant des informations dépendant de la position des articulations comme les mesures d’amplitude de mouvement et de charges articulaires

Gait analysis is the measurement of and ability evaluation of walking that can be used for fall risk assessment or as a diagnostic and prognostic tool for clinical applications. However, despite the clinical value, several difficulties attributed to the current established gold standard instrumentation, marker-based motion capture systems, limit the large-scale use in clinical applications. The current marker-based systems are costly and require a controlled laboratory environment. The test procedure is also time-consuming. Eliminating the markers would drastically shorten the patient preparatory time and would be more efficient. The objective of this study is to design a marker-less motion capture system for clinical applications. Recent advancements in computer vision and especially in convolutional neural networks, have provided the potential to pursue this objective. The designed system consists of four RGB cameras and can estimate the position of joint centers through a deep learning approach. For that purpose, a novel specific dataset has been collected including asymptomatic and pathologic subjects. To evaluate the validity of the developed system, its performance is assessed against a marker-based motion capture system in terms of joint position errors and clinically relevant gait parameters. The results demonstrate the high potential of the designed system for clinical applications.; L'analyse de la marche est la mesure et l'évaluation de la capacité de marche qui peut être utilisée pour l'évaluation des risques de chute ou comme outil de diagnostic et de pronostic pour des applications cliniques. Toutefois, malgré la valeur clinique, plusieurs difficultés attribuées à l'instrumentation de référence actuelle, les systèmes de capture du mouvement basés sur des marqueurs, limitent l'utilisation à grande échelle dans les applications cliniques. Les systèmes actuels sont coûteux et nécessitent un environnement de laboratoire contrôlé. La procédure de test est également longue. L'élimination des marqueurs réduirait considérablement le temps de préparation du patient et serait plus efficace. L'objectif de cette étude est de concevoir un système de capture de mouvement sans marqueur pour les applications cliniques. Les apprécents progrès réalisés dans le domaine de la vision par ordinateur et en particulier dans celui des réseaux neuronaux convolutifs, ont permis de poursuivre cet objectif. Le système conçu se compose de quatre caméras RGB et peut estimer la position des centres communs grâce à une approche d'apprentissage profond. À cette fin, un nouvel ensemble de données spécifiques a été collecté, incluant des sujets asymptomatiques et pathologiques. Pour évaluer la validité du système développé, ses performances sont évaluées par rapport à un système de capture de mouvement basé sur des marqueurs en termes d'erreurs de position des articulations et de paramètres de marche cliniquement pertinents. Les résultats démontrent le potentiel élevé du système conçu pour des applications cliniques.

For better understanding and efficient diagnosis of musculoskeletal and osteoarticular pathologies and a more efficient diagnosis, 3D modeling of the skeleton is essential. Compared to imaging modalities such as CT-scan or MRI, the EOS system allows to acquire the 3D skeletal geometry from low dose bi-planar x-rays in standing position. To obtain these reconstructions, various methods have already been proposed and implemented in clinical routine. Nevertheless, these processes rely on a qualified operator. This work aims to automate the process, thus lowering the inter operator variability and accelerating the reconstruction with a comparable precision. Therefore, a new methodology is proposed, which relies on an initial solution based on an intuitive digitization followed by an entirely automatic optimization. This last step relies on a statistical deformation (gaussian process regression) combined with an adapted minimal path algorithm allowing automatic detection of the image contours. This fast and robust approach yields a precise 3D reconstruction in less than two minutes and has been validated in terms of shape and clinical parameters for femur, tibia, patella and pelvis. Compared to previous works, we obtained lesser or identical errors on clinical parameters within a tolerance of 1°. In addition, the approach allows better reproducibility even though the operator is a beginner. The proposed tools open the way for a more efficient 3D reconstruction of the lower limbs leading to a more accurate diagnosis.; La compréhension des pathologies et leur diagnostic nécessitent une représentation tridimensionnelle de notre squelette. Comparativement aux modalités d’imagerie telles que le CT scan ou l’IRM, le système EOS, s’inscrit comme un moyen peu irradiant permettant la reconstruction tridimensionnelle des os à partir de radiographies bi-planes en position érigée. Des méthodes de reconstruction 3D du membre inférieur ont été proposées et sont déjà implémentées en clinique. Cependant, elles nécessitent un opérateur expérimenté. Cette thèse a pour objectif la quasi-automatisation de ces méthodes afin de réduire la dépendance et les temps opérateurs tout en conservant la précision des précédentes. Dans ce but, nous avons développé une nouvelle approche se caractérisant par une solution initiale basée sur une saisie intuitive suivie d’une phase d’ajustement entièrement automatisée. Cette dernière s’appuie sur une déformation statistique (régression par processus gaussien) couplée à un algorithme de minimal path adapté permettant la détection automatique de contours images. Ce nouveau processus de reconstruction rapide (2 min. temps opérateur) a été évalué en termes de forme et de paramètres cliniques pour le fémur, le tibia, la patella et le bassin. Comparativement aux travaux précédents, les erreurs que nous obtenons en termes de justesse sur les paramètres cliniques sont inférieurs ou comparables dans une tolérance de 1°. De plus, nous avons montré que notre approche est systématiquement plus reproductible, quand bien même l’opérateur est novice. Ces travaux rendront les méthodes de reconstruction 3D du membre inférieur plus efficaces conduisant à un diagnostic plus précis.

Adult degenerative scoliosis is a pathology whose prevalence increases with the aging of the population. Moreover, the functional demand is more and more important in these patients. Many studies have shown a benefit of surgical treatment of adult spinal deformity compared to medical treatment in terms of improved functional scores, quality of life and satisfaction. Nevertheless, this surgery is associated with many complications (up to 50% in some series), mostly mechanical such as nonunion, implant rupture, degradation of adjacent levels. Thus, if the radiographic analysis of scoliosis has been well explored, some questions remain like the phenomena responsible for a sudden worsening of the deformation in certain patients or the causes of failures. The aim of this work was to analyze adult scoliosis in 3D using stereoradiography and to evaluate the muscular system of these patients in order to highlight the relationships between spinal deformities, particularly by the horizontal plane analysis, and muscle degeneration.The first part of this work was dedicated to the 3D analysis of scoliosis: first, with the analysis of reproducibility in the adult of 3D stereoradiographic measurements, then by the analysis of the global alignment of these patients with spinal deformity, using a new parameter taking into account the position of the cervico-cephalic junction. After analyzing the postural alignment, the spino-pelvic muscular system was studied in the second part. Indeed, in addition to the alignment of the skeleton, it is the activation of the muscular system that is responsible for maintaining an erect posture. We described the muscular features of patients with lumbar scoliosis and analyzed the relationships with the radiographic parameters of the deformity, showing that depending on the type of deformity some muscle groups were more affected by atrophy and fatty infiltration. Comparing them to young and elderly subjects without deformity, we observed that patients with scoliosis had muscle degeneration that was both related to deformity and aging. In the third part, by linking stereoradiographic posture data with muscular MRI data, we used a personalized musculoskeletal model to better understand the constraints on vertebral segments and therefore to try to explain the mechanical failures.Thus, the combination of 3D radiographic measurements and muscle analysis could better predict muscle degeneration and worsening of deformity and thus prevent it by targeted rehabilitation. For example, a strengthening of the erectors of the spine but also of the flexors could allow better maintaining the posture. And, a strengthening of the erectors and hip flexors could allow activating more effectively, compensation mechanisms such pelvic retroversion. In addition, the demonstration of a musculoskeletal risk factor worsening the deformity would lead to an earlier management of these patients. A longitudinal analysis would be interesting.; La scoliose de l’adulte est une pathologie dont la prévalence augmente avec de le vieillissement de la population. De plus, la demande fonctionnelle est de plus en plus importante chez ces patients. De nombreuses études ont montré un bénéfice du traitement chirurgical de la déformation de l’adulte par rapport au traitement médical en termes d’amélioration des scores fonctionnels, de qualité de vie et de satisfaction. Néanmoins, cette chirurgie est associée à de nombreuses complications (jusque 50% dans certaines séries), pour la plupart mécaniques telle la pseudarthrose, la rupture d’implant, la dégradation des étages adjacents. Ainsi, si l’analyse radiographique de la scoliose a bien été explorée, certaines questions demeurent comme les phénomènes responsables d’une aggravation brutale de la déformation chez certains patients ou les causes d’échecs. L’objectif de ce travail était d’analyser la scoliose de l’adulte, en 3D à l’aide de la stéréoradiographie et d’évaluer le système musculaire de ces patients afin de mettre en évidence des relations entre déformations rachidiennes notamment par l’analyse du plan horizontal, et dégénérescence musculaire.La 1e partie de ce travail était consacrée à l’analyse 3D de la scoliose : tout d’abord avec l’analyse de reproductibilité chez l’adulte des mesures 3D effectuées par stéréoradiographie, puis par l’analyse de l’alignement global de ces patients avec une déformation rachidienne, à l’aide d’un nouveau paramètre prenant en compte la position de la jonction cervico-céphalique. Apres avoir analysé l’alignement postural, le système musculaire pelvi-rachidien a été étudié dans la 2e partie. En effet, en plus de l’alignement du squelette, c’est l’activation du système musculaire qui est responsable du maintien d’une posture érigée. Nous avons décrit les caractéristiques musculaires des patients avec une scoliose lombaire et analysé les relations avec les paramètres radiographiques de la déformation, montrant que selon le type de déformation certains groupes musculaires étaient plus touchés par l’atrophie et l’infiltration graisseuse. En les comparant à des sujets jeunes et âgés sans déformation, nous avons observé que les patients avec une scoliose avaient une dégénérescence musculaire à la fois liée à la déformation et au vieillissement. Dans une 3e partie, en faisant le lien entre les données de la posture par la stéréoradiographie et les données musculaires de l’IRM, nous avons utilisé un modèle musculosquelettique personnalisé pour mieux comprendre les contraintes exercées sur les segments vertébraux et donc pour essayer d’expliquer les faillites mécaniques.Ainsi, l’association de mesures 3D radiographiques et de l’analyse musculaire pourrait permettre en comprenant mieux les phénomènes dégénératifs, de mieux prédire l’aggravation de la déformation et donc de la prévenir par une rééducation ciblée. Par exemple, un renforcement des érecteurs du rachis mais aussi des fléchisseurs pourrait permettre de mieux maintenir la posture. Et, un renforcement des érecteurs et fléchisseurs de hanche pourrait permettre d’activer de manière plus efficace, les mécanismes de compensation telle la rétroversion pelvienne. De plus, la mise en évidence de facteur de risque musculosquelettique d’aggravation de la déformation entrainerait une prise en charge plus précoce de ces patients. Une analyse longitudinale serait donc intéressante.

Within the context of the scientific program chaired by BiomecAM, the musculoskeletal modelling of the cervical spine responds to various needs: understanding the damage mechanisms to this functional and essential structure, augmenting the efficiency level of pathology prevention, contributing to the design of new medical devices (orthoses or implants) and enabling orthopaedic and surgical treatment planning. Strong advancements have been made during the recent past years to evolve towards personalised modelling: innovative finite element mesh generation methods, in vivo quantitative analysis techniques to personalise the assignment of material properties to the intervertebral disc and the muscular system and preliminary models incorporating muscle activation have been developed.The aim of this PhD project is to exploit these scientific advancements to evolve towards a personalised musculoskeletal model of the intact, degenerated and instrumented cervical spine, thus contributing to the understanding of the degeneration mechanisms of the cervical spine and offering a means of orthopaedic and surgical treatment planning.; Dans le cadre du programme scientifique de chaire BiomecAM, la modélisation musculo-squelettique du rachis cervical répond à différents besoins: comprendre les mécanismes d’endommagement de cette structure fonctionnelle essentielle, améliorer la prévention des pathologies, aider à la conception de nouveaux dispositifs (orthèses ou implants) et planification de traitements orthopédiques et chirurgicaux. De grandes avancées ont été faites ces dernières années pour progresser vers la modélisation personnalisée: des approches innovantes pour générer des maillages en éléments finis efficaces, des moyens d’analyse quantitative in vivo pour personnaliser les propriétés mécaniques du disque intervertébral et du système musculaire, des premières modélisations pertinentes de la commande neuro-motrice d’activation musculaire.L’objectif de cette thèse est de s’appuyer sur ces avancées pour proposer une modélisation musculo squelettique personnalisée du rachis cervical intact, lésé et restauré chirurgicalement, dans le but de mieux comprendre les mécanismes de dégénération du rachis cervical et d’évoluer vers un outil de planification de traitements orthopédiques et chirurgicaux s’appuyant sur cette modélisation personnalisée.

Within the context of the scientific program chaired by BiomecAM, the musculoskeletal modelling of the cervical spine responds to various needs: understanding the damage mechanisms to this functional and essential structure, augmenting the efficiency level of pathology prevention, contributing to the design of new medical devices (orthoses or implants) and enabling orthopaedic and surgical treatment planning. Strong advancements have been made during the recent past years to evolve towards personalised modelling: innovative finite element mesh generation methods, in vivo quantitative analysis techniques to personalise the assignment of material properties to the intervertebral disc and the muscular system and preliminary models incorporating muscle activation have been developed.The aim of this PhD project is to exploit these scientific advancements to evolve towards a personalised musculoskeletal model of the intact, degenerated and instrumented cervical spine, thus contributing to the understanding of the degeneration mechanisms of the cervical spine and offering a means of orthopaedic and surgical treatment planning.; Dans le cadre du programme scientifique de chaire BiomecAM, la modélisation musculo-squelettique du rachis cervical répond à différents besoins: comprendre les mécanismes d’endommagement de cette structure fonctionnelle essentielle, améliorer la prévention des pathologies, aider à la conception de nouveaux dispositifs (orthèses ou implants) et planification de traitements orthopédiques et chirurgicaux. De grandes avancées ont été faites ces dernières années pour progresser vers la modélisation personnalisée: des approches innovantes pour générer des maillages en éléments finis efficaces, des moyens d’analyse quantitative in vivo pour personnaliser les propriétés mécaniques du disque intervertébral et du système musculaire, des premières modélisations pertinentes de la commande neuro-motrice d’activation musculaire.L’objectif de cette thèse est de s’appuyer sur ces avancées pour proposer une modélisation musculo squelettique personnalisée du rachis cervical intact, lésé et restauré chirurgicalement, dans le but de mieux comprendre les mécanismes de dégénération du rachis cervical et d’évoluer vers un outil de planification de traitements orthopédiques et chirurgicaux s’appuyant sur cette modélisation personnalisée.

Clinical examination and standard X-rays of the lower limbs and feet have biases related to reproducibility and to 2-dimensional projection of a 3D object. The 3Dreconstruction of the anatomical segments from biplanar images acquired in a standingposition should make possible to get rid of these biases, at the cost of moderate irradiation. The 1st part of this work asked the question of the use in current clinical practice of the reconstructions in 3D resulting from this system, and allowed validationof the reproducibility of these while giving reference values of the measured parameters in 3D. The 2nd part consisted in the adaptation of a model of reconstruction of the feet of the adult to those of the child, and aimed to check the reproducibility of the data obtained, and to report preliminary values of parameters of measurements. Finally, the 3rd part studied the feasibility of a complete analysis of pathological foot (congenital clubfoot) combining clinical examination, radiological morphology (EOS® images) andfoot function with gait analysis. We conclude that while this combined analysis appears to be critical, difficulties remain, particularly in the choice of the model for walkinganalysis, with the current full-scale models being overwhelmed by uncertainty related tothe placement of markers.; L’examen clinique et les radiographies standard des membres inférieurs et des pieds comportent des biais liés à la reproductibilité et à la projection en 2 dimensions d’unobjet en 3D. La reconstruction en 3D des segments anatomiques à partir d’images biplanes acquises en position debout doit permettre de s’affranchir de ces biais, au prixd’une irradiation modérée. La 1ère partie de ce travail a posé la question de l’utilisationen pratique clinique courante des reconstructions en 3D issues de ce système, et a permis de valider la reproductibilité de celles ci ainsi que de donner des valeurs de référence de ces paramètres mesurés en 3D. La 2ème partie a consisté en l’adaptationd’un modèle de reconstruction de pieds de l’adulte à ceux de l’enfant, a permis devérifier la reproductibilité des données obtenues, ainsi que de rapporter des valeurs préliminaires de paramètres de mesures radiologiques. Enfin, la 3ème partie a étudié l’analyse complète de pieds pathologiques (pied bot varus équin) associant l’examenclinique, la morphologie radiologique (obtenues par EOS®) et la fonction du pied lors d’une analyse de la marche. Nous en concluons que si cette analyse combinée paraîtcapitale, des difficultés persistent, en particulier dans le choix du modèle pour l’analyse de la marche, les modèles les plus complets actuels étant grévés d’une incertitude liée au placement des marqueurs trop importante.

Back pain is one of the first causes of surgical intervention in the world and instrumentation is needed for about 1 patient out of 100 . Fusion is the gold standard for instrumented surgery and consists in fixation of two adjacent vertebra together with pedicular screws and rigid rods. Clinical outcomes of fusion are satisfactory but some cases of adverse events remain such as adjacent segment degeneration sometimes leading to revision surgery. Dynamic stabilization devices have been proposed to tackle this issue with the objective of maintaining motion at the instrumented level and thus limiting the surrounding structure overloading. This work aims at assessing one dynamic stabilization device. We first performed mechanical testing on the device to better understand its functioning and come up with a detailed and validated model. Then a retrospective clinical work has been conducted to lay out the clinical performances of the device and propose a prospective study design to answer clinical and scientific requirements. A biomechanical in-vitro testing campaign has been set up to increase our knowledge about the behaviour of the instrumented spine. This enabled us to validate a finite elements model then used for the study of the influence of several design parameters but also of several choices made during the surgery., Les douleurs lombaires représentent l'une des premières causes d'intervention chirurgicale dans le monde, et requièrent le recours à une instrumentation du rachis complémentaire pour environ 1% des patients. La technique instrumentée standard est l'arthrodèse ; elle consiste en l'immobilisation des vertèbres adjacentes par un système composé de vis pédiculaires et de tiges. Les résultats cliniques sont généralement satisfaisants. Cependant, des cas de complications subsistent, en particulier la dégénérescence du segment adjacent pouvant entraîner une reprise chirurgicale. Pour répondre à ce problème, les implants dits « stabilisation dynamique » ont été conçus avec pour objectif de maintenir une mobilité au niveau instrumenté afin de ne pas sur-contraindre les structures environnantes. Cette étude consiste en l'évaluation clinique et biomécanique d'un de ces implants. Tout d'abord, nous avons mené une campagne d'essais de caractérisation mécanique de l'implant isolé afin de connaître précisément ses propriétés et de pouvoir le modéliser de façon fidèle et validée. Un travail clinique rétrospectif a ensuite été réalisé pour quantifier les résultats obtenus et proposer un protocole d'étude prospective qui réponde aux contraintes cliniques et aux exigences scientifiques actuelles. Une campagne d'essais in-vitro sur segment lombaire a ensuite été menée pour compléter notre connaissance du comportement biomécanique du rachis instrumenté. Ceci nous a permis de valider une modélisation en éléments finis du rachis instrumenté utilisé notamment pour étudier l'influence du design de l'implant ainsi que des gestes réalisés lors de la chirurgie.

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'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.

Adult spinal deformity(ASD) refers to abnormal curvatures of the spine in patients who have completed their growth. Due to its prevalence, clinical impact, and the relatively high rate of surgical failures, they represent a therapeutic challenge. Research has been able to demonstrate that the preservation or the restoration of the sagittal alignment, are key objectives of surgical treatment. The objective of this thesis is to analyze the treatment of ASD patients, with particular interest in restoration of sagittal alignment and to develop tools to assess the spino-pelvic musculature of ASD patients. Based on an analysis of a multicenter database, the first two articles present an evaluation of the surgical treatment in term of clinical effectiveness and radiographic realignment. In addition, the discrepancies between surgical preoperative planning and operative execution have been studied with a prospective data collection, and have highlighted the necessity to understand better the role of the muscles in the maintaining of the posture. Therefore two methods for the characterization of the muscles involved in the sagittal alignment have been validated. Both methods are based on manual segmentation of specific MRI acquisition (Dixon methods) in order to obtain precise fat infiltration quantification in addition to muscular volume. One method permits to obtain 3D reconstruction able to generate patient–specific musculoskeletal model. The other one open the path to a clinical purpose, because necessitate only segmentation of four slices to obtain an relevant evaluation of the muscular system. Finally, thanks to the first protocol the muscular system of ASD patients have been described., Les déformations rachidiennes se réfèrent aux patients avec une courbure anormal de la colonne vertébrale qui ont terminé leur croissance. Par leur prévalence, leur impact clinique, et le taux relativement élevé d'échecs chirurgicaux, elles représentent un défi thérapeutique. La recherche a permis de démontrer que la préservation ou la restauration de l'alignement, sont des éléments clé du traitement chirurgical. L'objectif de cette thèse était d'analyser le traitement des patients avec DR, avec un intérêt particulier pour la restauration de l'alignement sagittal et l'évaluation musculaire. Fondé sur une analyse rétrospective d'une base de données multicentriques, les deux premiers articles présentent une évaluation du traitement chirurgical en termes d'efficacité clinique et de réalignement radiographique. Les écarts entre la planification préopératoire et l'exécution opérationnelle ont aussi été étudiés avec une collecte de données prospectives, et ont mis en évidence la nécessité de mieux comprendre le rôle des muscles dans le maintien de la posture. Par conséquent, deux protocoles pour la caractérisation des principaux muscles impliqués dans l'alignement sagittal ont été validés. Les deux méthodes sont basées sur la segmentation manuelle d'acquisition IRM spécifique (méthode de Dixon) afin d'obtenir l'infiltration graisseuse en plus du volume musculaire. Une des méthodes permet d'obtenir la reconstruction 3D des muscles et donc de générer des modèles musculo-squelettiques personnalisés. L'autre ouvre la voie à une pratique clinique car nécessite seulement la segmentation de quatre coupes pour obtenir une évaluation des principaux groupes musculaires. Enfin, à partir de la première méthode, le système musculaire de patients avec DR a été décrit.

For a better understanding and diagnosis of the pathologies affecting the spatialorganization of our skeleton it is necessary to address them in 3D. CT-Scan and MRI areimaging modalities commonly used to study the musculoskeletal system in 3D. Moreover,patients are recorded in reclining position thus gravity effect can’t be taken into account.Furthermore, CT-Scan exposes patient to high radiation doses and MRI is used mostly tocharacterize soft tissues. With the EOS system, from a pair of low dose biplanar radiographs wecan reconstruct bones in 3D, and the radiographs are recorded in standing position thus gravityeffects are considered. This thesis contributes to the improvement of the 3D reconstructionmethods of lower limbs from biplanar radiographs. In this thesis we have proposed andevaluated: 1) A 3D reconstruction method of the lower limbs based on parametric models andstatistical inferences. 2) A method for the auto-improvement of the 3D reconstruction of thelower limbs. This method combines image processing and the recalculation of the statisticalinferences. 3) Finally, methods based on similarity measures and shape criteria were used todetect automatically the medial and lateral side of the femur and tibia. The aim of thesemethods is to avoid the inversion of the femoral and tibial condyles in biplanar radiographs.These inversions have an impact in the calculation of clinical measurements, particularly thetorsional ones. The reconstruction method proposed in this thesis is already integrated withinthe sterEOS® software, available in 60 hospitals around the world. The methods developed inthis thesis have led us to a semi-automatic, accurate and robust reconstruction of lower limbs., Pour comprendre et diagnostiquer les pathologies qui affectent l’organisation spatialede notre squelette, il est essentiel d’aborder ces problématiques en 3D. Le CT-Scan et l’IRMsont des modalités d’imagerie couramment utilisées en milieu clinique pour étudier en 3D notresystème musculosquelettique. La plupart de ces systèmes d’imagerie proposent une acquisitioncouchée sur laquelle les effets gravitaires ne sont pas pris en compte. Le CT-Scan est unemodalité particulièrement irradiante et l’IRM est plus spécifiquement dédiée à l’étude des tissusmous. Le système EOS permet de reconstruire en 3D les os à partir d’une paire deradiographies biplanes à faible dose d’irradiation. En plus, le système EOS propose uneacquisition en position debout, prenant en compte les effets gravitaires. Cette thèse contribue àl’amélioration des méthodes de reconstruction 3D des membres inférieurs à partir des radiosbiplanes. Dans le cadre de thèse on a proposé et évalué : 1) Une méthode de reconstruction3D des membres inférieurs s’appuyant sur des modèles paramétrés et des inférencesstatistiques. 2) Une méthode d’auto-amélioration de la reconstruction 3D des membresinférieurs en utilisant du traitement d’images local et le recalcul d’inférences statistiques. 3)Enfin, des méthodes utilisant des critères de similarité d’images et des critères morphologiquespour détecter de manière automatique le côté médial et latéral du fémur et du tibia. Le but estd’éviter l’inversion par l’opérateur de condyles fémoraux et plateaux tibiaux, affectant la valeurdes paramètres cliniques, surtout les torsions. La méthode de reconstruction proposée dans lecadre de cette thèse est intégrée dans le logiciel sterEOS® et utilisée dans une soixantained’hôpitaux au monde. Les méthodes développées dans le cadre de cette thèse ont permis deprogresser vers la reconstruction semi-automatisée, précise et robuste du membre inférieur

Osteoporosis is a bone disease which decreases bone quantity and quality, and increases fracture risk, notably at the vertebral level. CT-scan-based finite element models allow predicting vertebral strength, and thus fracture risk, but their use in routine clinical practice is limited by the cost and accessibility of CT-scan. However, vertebral strength prediction from a finite element model based on low dose images, such as dual X-ray absorptiometry or EOS stereo-radiography in dual energy, would allow a wider use. This PhD thesis contributes to develop fracture risk estimation by such a model. The low dose approach is evaluated in comparison to CT-based finite element model, and a sensitivity study is performed to identify the most important parameters of the model. Hexahedral morpho-realistic meshing techniques from 3D reconstruction and estimation methods for the 3D bone mineral density distribution from low dose images are developed and evaluated. Moreover, taking advantage of EOS system's possibility to take full body radiographs in standing position, a preliminary method is proposed to estimate the load applied to vertebra in vivo. We hope those methods will be used soon in vivo, and will contribute to estimating osteoporotic fracture risk estimation in clinical situations., L'ostéoporose est une maladie du squelette caractérisée par une perte de la qualité osseuse qui entraîne un risque de fracture accru, notamment au niveau vertébral. Des modèles en éléments finis basés sur la tomodensitométrie permettent d'estimer la résistance vertébrale, et donc le risque de fracture, mais leur utilisation en routine clinique est limitée par le coût et l'irradiation engendrée par la tomodensitométrie. L'estimation la résistance vertébrale à partir d'un modèle en éléments finis basés sur l'imagerie basse dose, telle que l'absorptiométrie biphotonique à rayons X, ou la stéréo-radiographie EOS en double énergie, permettrait une utilisation en routine clinique. Cette thèse contribue au développement de la modélisation à partir de l'imagerie basse dose pour la prédiction du risque de fracture. Un modèle en éléments finis de résistance vertébrale y est évalué par rapport à un modèle basé sur la tomodensitométrie, et une étude de sensibilité identifie les facteurs importants du modèle sont analysés. Des méthodes de maillage hexaédrique morpho-réalistes à partir de la reconstruction 3D, et d'estimation de la distribution de densité à partir d'image 2D de densité y sont développées. De plus, profitant des possibilités du système EOS qui permet de radiographier le patient de la tête aux pieds, une méthode préliminaire est proposée pour estimer l'effort exercé sur les vertèbres in vivo. Nous espérons que nos méthodes pourront être utilisées très prochainement in vivo, et contribuer à l'estimation du risque de fracture ostéoporotique, et à la prise en charge des patients à risque de fracture.

Precise morpho-functional analysis of the shoulder, including of the glenohumeral (GH) joint, would allow improving our understanding of shoulder dysfunction associated to rotator cuff tears. However, technical difficulties make analysis of shoulder morphology and motion difficult in a clinical setting. The work carried out during this thesis allowed developing a method for 3D analysis of GH translations relying on the acquisition of sequences of biplanar radiographs with the EOS™ system. A pilot study carried out on 10 healthy subjects allowed verifying the ease of application of an image acquisition protocol and evaluating the repeatability of shoulder landmark identification on the radiographs. The final proposed method allows, following the acquisition of radiographs, obtaining a personalized morphologically realistic reconstruction of the scapula and a simplified model of the humerus. These models are then interactively registered to the images acquired at different arm positions and used to describe GH translations for these positions. The proposed method was validated in terms of precision and repeatability on images acquired of cadaveric shoulders and of patients with rotator cuff tears. The last part of the work presented here consists in applying the developed method to 30 subjects (25 patients and 5 asymptomatic subjects) for whom rotator cuff condition and shoulder function were assessed, and to study correlations between GH translations and shoulder function., L'analyse morpho-fonctionnelle précise de l'épaule, notamment au niveau de l'articulation glénohumérale (GH), permettrait d'améliorer notre compréhension des dysfonctions de l'épaule associées aux ruptures de la coiffe des rotateurs. Cependant, des difficultés techniques compliquent l'analyse de la morphologie et du mouvement de l'épaule dans un contexte clinique. Dans le cadre de la présente thèse, une méthode d'analyse 3D des translations GH basée sur l'acquisition de séquences de radiographies biplanes sous EOS™ a été développée. Une étude pilote sur 10 sujets sains a d'abord permis de vérifier la facilité d'application d'un protocole d'acquisition des images et d'évaluer la répétabilité de l'identification des repères anatomiques de l'épaule sur les radiographies. La méthode proposée en dernier lieu permet, suite à l'acquisition de radiographies, de reconstruire un modèle personnalisé morpho-réaliste de la scapula et un modèle simplifié de l'humérus. Ces modèles sont ensuite recalés interactivement sur les images acquises à différentes positions du bras et utilisés pour décrire les translations GH à ces positions. La méthode a été validée en termes de précision et de répétabilité sur des images acquises d'épaules cadavériques et de patients ayant des ruptures de la coiffe des rotateurs. La dernière partie du travail présenté ici consiste à appliquer la méthode développée à 30 sujets (25 patients et 5 sujets sains) pour lesquels l'état de la coiffe des rotateurs et la fonction de l'épaule ont été évalués, puis à étudier les corrélations entre les translations GH et la fonction de l'épaule.

Idiopathic scoliosis is a tridimensional trunk deformity, affecting both the spine and the rib cage. Low dose EOS stereoradiography is designed to assess the patient specific 3D geometry of the skeleton in standing position. The goal of this work is to improve the quantitative analysis of postoperative results in a routine clinical use, and to integrate the rib cage morphological analysis. Tools, methods and necessary proocols were first developed and validated to allow such an evaluation. In particular, the reliability of 3D measurements in severe scoliosis and instrumented spine were assessed. The modelization method was then applied to a series of adolescents operated for thoracic idiopathic scoliosis using posteromedial translation. The first part of the analysis focused on the instrumented spine, and included a new reference axis to estimate patients' global balance. The second part of the work aimed to describe the postoperative change of the sagittal cervical alignement. Significant improvement was found, correlated with thoracic kyphosis restoration. Finally, biplanar stereoradiography allowed a descriptive analysis of the endo and exothoracic morphology in a cohort of 80 adolescents with idiopathic scoliosis. Correlations between quantitative spinal and thoracic parameters and pulmonary function tests were investigated. The method was used in order to characterize the postoperative thoracic changes. This study confirms the interest of having in routine clinical use a 3D evaluation of the spine and the rib cage in the quantitative analysis of idiopathic scoliosis postoperative results., 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.

Scoliosis is a deformity of the spine in the 3 dimensions. The scoliosis curve is progressive during the whole growth. The mains issues are the prediction of the progression and early management of the deformity. Novel 3D Imaging modalities have made possible 3D reconstructions of the spine in standing position. A 3D pattern of progressive scoliotic curve has been described. This transverse plane 3D pattern is independent of the topography of the curve and may be described at an early stage of the development of the scoliosis. Prediction of the progression leads to anticipation of the treatment in progressive scoliosis. Brace treatment is the main option during growth. However, bracing is not consensual. The 3D effect of brace treatment has been studied on scoliotic patients. The results showed a high variability of the effect of the brace on all 3D spine and pelvic parameters. There is a lack of knowledge of the effect of brace treatment on the rib cage. A reason is the lack of accurate and reproducible method of 3D reconstruction of the rib cage in standing position. Such method based on calibrated biplanar X-rays, developed and validated in asymptomatic patients in our institution, was used and validated on scoliotic patients in this work. Analysis of the effect of brace treatment of the shape of the rib cage was therefore possible. A preliminary study was performed and showed a high variability of the effect of bracing on the rib cage. This study also put the basis of further clinical and biomechanical studies on correction mechanisms of brace treatment on the spine and the rib cage., 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.

Lumbar stenosis and facet osteoarthritis represent the main indications for facet replacement. The purpose was to analyze the influence of a novel Auxiliary Facet System (AFS) on lumbar spine biomechanics. Kinematic in vitro experiments had demonstrated that the AFS has a minor influence on range of motion in flexion-extension and lateral bending at the instrumented level L4-L5. Facetectomy led to a major increase in axial rotation, which was reduced by the AFS because of the implant's crosslink. This limitation of hypermobility represents the major role of the implant. The instrumented disc has been studied in vitro by measuring intradiscal pressures and using a finite element model. The AFS decreased intradiscal pressures in flexion-extension. Von Mises stress at the annulus was similar after AFS instrumentation and after lesion by facetectomy and undercutting laminectomy. Fusion decreased annulus stress at the instrumented level better than the AFS. At the adjacent segments, a similar behavior was observed between the AFS and the intact spine in flexion-extension and lateral bending, whereas fusion increased annulus stress and peak contact forces at adjacent facet joints. In axial rotation, the AFS and fusion increased annulus stress and facet peak contact forces similarly. An in vitro shear loading experiment simulated beginning degenerative spondylolisthesis. The lesion decreased shear stiffness and increased anterior displacements, whereas the shear properties were similar between the AFS instrumented segment and the intact spine., La sténose lombaire et l'arthrose facettaire représentent les indications principales du remplacement facettaire. L'objectif était d'analyser l'influence d'un nouvel Implant Facettaire Auxiliaire (IFA) sur la biomécanique du rachis lombaire. Les expérimentations cinématiques in vitro ont montré que l'IFA n'avait qu'une faible influence sur les amplitudes de mobilités en flexion-extension et en inflexion latérale du niveau L4-L5 instrumenté. La facettectomie augmentait la torsion axiale de manière importante, alors que l'IFA la réduisait grâce à la liaison transverse de l'implant. Cette limitation d'hypermobilité après facettectomie représente l'intérêt majeur de l'implant. Le disque instrumenté a été étudié in vitro par mesures de pressions intradiscales et par modélisation en éléments finis. Les pressions intradiscales étaient diminuées par l'IFA en flexion-extension. Les contraintes de von Mises de l'annulus étaient similaires entre l'IFA et la lésion par facettectomie et recalibrage. La fusion diminuait les contraintes intradiscales de manière plus importante. Au niveau des segments adjacents, l'IFA et le rachis intact se comportaient de façon similaire en flexion-extension et en inflexion latérale, alors que la fusion augmentait les contraintes de l'annulus et les forces de contact facettaires. En torsion axiale, l'IFA et la fusion augmentaient les contraintes discales et les forces de contact facettaires de manière similaire. Les expérimentations in vitro en cisaillement ont permis de simuler le spondylolisthésis dégénératif débutant. La lésion a entraîné une diminution de la raideur et une augmentation des déplacements antérieurs en cisaillement, alors que le comportement était similaire entre le segment instrumenté par IFA et le rachis intact.

Taking global balance into account may help avoid biomechanical complications when caring some spinal disorders. The EOS™ system (EOS™ imaging, Paris) is designed to investigate the patient head-to-feet specific three-dimensional geometry of the skeleton in clinical routine. This work aims at taking advantage of this new modality to improve caring spinal diseases associated with balance disorders. First, tools, methods and protocols were developed and validated to be able to conduct such an evaluation. Thus, we could quantify postural balance on 93 patients with spinal disorders in clinical routine and compare the calculated parameters with a population of 23 asymptomatic volunteers. This study yielded new criteria to evaluate three-dimensional postural balance in clinical routine. Analyzing postural balance on 25 patients with severe spinal disorders, we could then define a postural model to estimate pelvic tilt after correction of the lumbar curvature using vertebral osteotomies. At last, decision-making support was provided by means of a surgical planning method for these particular interventions. Based on the postural model, this method predicts the postoperative geometry of the skeleton from the preoperative geometric configuration and the intended surgical gestures., La prise en compte de l'équilibre postural global lors de la prise en charge de certaines pathologies rachidiennes peut permettre d'éviter certaines complications biomécaniques. D'autre part, le système EOS™ (EOS™ imaging, Paris) permet l'analyse globale personnalisée de la géométrie du squelette en trois dimensions. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la prise en charge des pathologies rachidiennes en tirant parti des fonctionnalités de cette nouvelle modalité. Dans un premier temps, les outils, méthodes et protocoles nécessaires à une telle évaluation ont été mis en place et validés. Ce dispositif a ainsi permis d'évaluer de manière quantitative la posture par rapport à la ligne de gravité sur 93 patients en routine clinique et de la comparer à celle de 23 sujets sains. Cette première approche a ainsi permis de définir de nouveaux critères pour l'analyse de l'équilibre postural tridimensionnel en routine clinique. L'analyse de l'équilibre chez 25 patients souffrant de sévères troubles posturaux a ensuite permis de proposer un modèle estimant la version pelvienne postopératoire suite à la correction de la courbure rachidienne au moyen d'ostéotomies vertébrales. Une assistance à la décision a été enfin proposée sous la forme d'une méthode de planification chirurgicale de ces interventions. Cette méthode utilise ce modèle de stratégie posturale pour prédire le résultat postopératoire de l'intervention à partir de la configuration géométrique préopératoire du patient et des gestes prévus. Ces travaux ont ainsi confirmé l'intérêt de l'analyse tridimensionnelle globale et proposé des méthodes permettant la prise en compte de ces aspects en routine clinique tout au long de la prise en charge thérapeutique des patients.

Adolescent idiopathic scoliosis is a three dimensional deformity of the spine. Young girls are mainly affected during their growth. Early detection of sudden progression of the deformities is essential for a better management. Progression mechanisms analysis will help in prognosis tool development. The aim of the study is to analyse scoliosis progression mechanisms using geometrical and mechanical patient-specific modelling. First, combine effect of abnormal growth and intervertebral disc's hyperlaxity was investigated using a patient-specific finite element model. Then, a specific geometrical pattern of progressive scoliosis was used to assess the progression risk at first exam of the follow-up. The proposed method was validated on 49 subjects. Differences in scoliosis mechanical behaviour were investigated to characterize progressive scoliosis using numerical simulation of progression. It seems that a specific initial geometrical defect and an abnormal growth are necessary to scoliosis progression. Discs' hyperlaxity seems to be a progression catalyst. Progression simulation results were used to evaluate preliminary an early and local correction of the deformities., La scoliose idiopathique de l'adolescent est une déformation tridimensionnelle de la colonne vertébrale. Elle touche principalement des jeunes filles en pleine croissance. La détection au plus tôt d'une soudaine aggravation des déformations est indispensable pour améliorer la prise en charge thérapeutique du patient. Le développement d'outil d'aide au pronostic nécessite au préalable une analyse des mécanismes de progression. L'objectif de cette étude est d'analyser les mécanismes de progression de la scoliose à l'aide de la modélisation géométrique et mécanique personnalisée. L'effet combiné d'un trouble de croissance et de l'hyperlaxité des disques intervertébraux sur le développement des déformations a été analysé à l'aide d'un modèle en éléments finis personnalisé. Un schéma géométrique descriptif des scolioses évolutives a été utilisé pour évaluer le risque de progression dès le premier examen du suivi à l'aide d'une méthode statistique. La méthode utilisée a été validée sur 49 sujets et par comparaison à des méthodes de classification supervisée. Les différences de comportement mécanique pouvant caractériser l'évolutivité de la scoliose ont été analysées à l'aide de la simulation numérique de progression. Il apparaît qu'un défaut géométrique initial spécifique ainsi qu'un trouble de croissance sont nécessaire à la progression des déformations. L'hyperlaxité des disques joue le rôle de catalyseur de progression. Les résultats de simulation de progression ont été exploités pour évaluer préliminairement une correction locale précoce des déformations.

Through this thesis, we evaluated the In Vitro and In Vivo biomechanical behavior of a ball-and-socket cervical disc prosthesis. In Vitro tests on human cadaveric cervical spines permitted to assess segmental 3D kinematics at instrumented and adjacent levels. The measurement of the intradiscal pressure provided us data on changes of loads transmission at adjacent discs following arthroplasty. Different testing conditions were evaluated: 1 and 2-levels arthrodesis, 1 and 2-levels arthroplasty, hybrid constructs. In addition, using a finite element model of the cervical spine, we investigated the relevance of applying a follower preload during In vitro experiments. Through a prospective and multicentre study, including 32 patients operated with cervical total disc replacement, In Vivo assessment of spine kinematics allowed for measurement of ranges of motion and location of mean center of rotation at instrumented and adjacent levels. Finally, using the EOSTM bi-planar stereo-radiographic system, we could achieve In Vivo three-dimensional motion analysis of instrumented segments., Dans cette thèse, nous avons analysé le comportement biomécanique In Vitro et In Vivo d'une prothèse discale cervicale à articulation sphérique. Les expérimentations In Vitro nous ont permis d'étudier la cinématique segmentaire dans les trois plans de l'espace au niveau instrumenté et aux niveaux adjacents. La mesure de la pression intradiscale a apporté des informations sur les variations de contraintes après arthroplastie au niveau des disques adjacents. Différentes configurations ont ainsi été évaluées : arthroplastie et arthrodèse à 1 et 2 niveaux, montage hybride. L'influence de la précharge sur le comportement biomécanique du rachis cervical a fait l'objet d'un travail spécifique en se basant sur les essais In Vitro et sur la simulation numérique. Les analyses In Vivo 2D ont été effectuées sur des clichés dynamiques en flexion-extension et ont permis le calcul des amplitudes de mobilité et de la position des centres moyens de rotation dans une population de patients opérés (n=32). Celles-ci ont intéressé le niveau opéré mais également les niveaux adjacents à court et moyen terme. Grâce au système stéréo-radiographique EOSTM, nous avons pu compléter l'analyse cinématique In Vivo par la mesure des amplitudes de mobilité des segments instrumentés dans les trois plans de l'espace.

Due to the ongoing aging process (e.g. one over 10 people in France is more than 75 years old); loss of autonomy has become a major public health issue. This socio-economical problem may be explained by the continuous need of acute information on the balance of elderly. In this manner, a deep analysis of ankle musculotendinous stiffness and posture may provide new insights on the neuromuscular mechanisms involved in maintaining upright stance, by means of appropriate biomechanical parameters. This work was funded by the National Research Agency (ANR-08-TECS MIRAS-009-04), and aimed at characterizing the elastic properties (i.e. musculotendinous stiffness) and balance in elderly subjects recovering their autonomy. Therefore, a global description of population profiles in a geriatric rehabilitation care unit was first carried out. Then to verify and improve the existing methods for ankle musculotendinous stiffness estimation ("Quick-Release" approach), a new method for the calculation foot inertial parameters was proposed and validated. Finally, a study of ankle stiffness and balance through a stabilometric approach was conducted on a sample of elderly patients. The results of this work proved to be useful in improving the methods for calculating ankle musculotendinous stiffness, while contributing to a better understanding of balance mechanisms in the elderly., Avec le vieillissement de la population (plus d'un Français sur dix a plus de 75 ans), la perte d'autonomie est devenu un enjeu de santé publique majeur. Ce problème socio-économique est expliqué par le besoin continu de connaissances approfondies sur le sujet âgé ainsi que son équilibre. L'analyse de la raideur musculotendineuse à la cheville et de la posture, peut contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes neuromusculaires intervenant dans le maintenant de l'équilibre, à l'aide de paramètres biomécaniques adéquats. Cette thèse financée par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-08-TECS-009-04 MIRAS), a pour objectif de caractériser les propriétés élastiques (i.e. raideur musculotendineuse) et l'équilibre en s'intéressant particulièrement au sujet âgé en reprise d'autonomie. Ainsi, une caractérisation globale du profil d'une population âgée hospitalisée pour des soins de suite et de réhabilitation a tout d'abord été réalisée. Ensuite pour une meilleure estimation de la raideur à la cheville, une nouvelle méthode de calcul des paramètres inertiels du pied a été proposée et validée ; et l'approche existante (détente-rapide pour le calcul de la raideur) a pu être vérifiée et améliorée. Finalement, une étude de la raideur et de l'équilibre par approche stabilométrique a été réalisée sur un échantillon de sujets âgés hospitalisés. Les résultats de ce travail, sont utiles à l'amélioration des méthodes de calcul de la raideur musculotendineuse et contribuent à l'approfondissement des connaissances biomécaniques sur l'équilibre du sujet âgé.

The anatomy of the lower limb and its 3D angular abnormalities are paramount in diagnosis, therapeutic applications and/or surgical planning. In this context, it is important to explore this knowledge in three dimensions. Within a collaborative project between the Laboratoire de Biomécanique (Paris) and the Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie (Montréal) 3D reconstruction methods have been developed based on the EOS™ imaging system (Biospace Med, Paris). These methods allow clinical analysis in standing position with low radiation dose. However, despite their accuracy, these reconstruction techniques are time-consuming and therefore difficult to use on a routine basis in clinical environment. The aim of this Ph.D. thesis is to adapt and optimize these methods for lower limb's bony structures with structural distortions. We developed and evaluated a reconstruction method of the lower limb based on parametric models of femurs and tibias and statistical inferences. This method provides a preliminary so-called “simplified” model of the lower limb in approximately 1 minute, allowing an accurate and reproducible computation of most currently used clinical parameters. Starting from the “simplified” model, we calculated an accurate customized 3D reconstruction of the lower limb in approximately 5 minutes. Based on this 3D model, we developed and validated several calculation modes for a larger panel of clinical parameters (including torsions and rotations) in order to identify the most robust and pertinent ones that could be standardized for clinical practice. The current work opens practical perspectives for the clinical transfer of such methods to be used in practice. One of the most clinical popular applications of the 3D reconstruction techniques and clinical parameters calculation is the surgical planning of lower limb osteotomy and arthroplasty., 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.

Technical advances in the military aeronautical field have contributed to the development of fighter planes reaching high acceleration levels (9 Gz for the Rafale). Acute and chronic injuries of the neck occur because of these accelerations and the injury thresholds of fighter pilots are becoming a relevant issue. In order to ensure the protection of the crews, the Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA) coordinates a research program with the support of the Délégation Générale à l'Armement (DGA). This program aims at providing a better knowledge of the involved injury mechanisms. Finite element models are useful tools for the analysis of the risks of injury as they enable to quantitatively measure the stresses and strains levels of the tissues. However, there is a lack of models allowing to take both the effects of morphological variability and the muscular tissues into account. The aim of this study is as a result to contribute to improve the knowledge of the injury mechanisms using an approach based on parametric and subject-specific modelling. This method consists in the automatic generation of hexahedral meshes of the musculoskeletal cervical spine from medical images. Mechanical laws are added to theses meshes to built finite elements models. The segmental motions of the spine are validated in a first step. A preliminary study is then performed to demonstrate the influence of morphology and muscles in the case of an axial compression loading as it often occurs under G-loading., Les progrès technologiques considérables réalisés dans le secteur aéronautique militaire ont donné naissance à des avions atteignant des niveaux d'accélération importants (9 Gz sur le Rafale). Ces accélérations, à l'origine de lésions cervicales aigües et chroniques, placent plus que jamais les tolérances biomécaniques des pilotes de chasse au centre des préoccupations. Dans le contexte de protection des personnels navigants, l'Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA) coordonne, avec le soutien de la Délégation Générale à l'Armement (DGA), un programme de recherche visant entre autres à mieux comprendre les mécanismes lésionnels impliqués. Les modèles en éléments finis constituent des outils particulièrement propices à l'analyse des risques lésionnels dans la mesure où ils offrent une information quantitative des niveaux de sollicitation des tissus. Néanmoins, aucun modèle ne permet à l'heure actuelle de prendre en compte à la fois les variabilités morphologiques interindividuelles et les tissus musculaires. Le but de cette étude est par conséquent de contribuer à l'étude des mécanismes lésionnels en proposant une approche de modélisation géométrique paramétrée et personnalisée. La méthode consiste à générer automatiquement des maillages du complexe musculo-squelettique du rachis cervical à partir de données issues d'imagerie médicale. Enrichis par des lois de comportement mécanique, ces maillages sont utilisés pour la construction de modèles en éléments finis dont les mobilités segmentaires sont validées dans un premier temps. Une étude préliminaire vise ensuite à mettre en évidence les effets de la morphologie et des tissus musculaires dans le cas des sollicitations en compression axiale qui sont récurrentes sous facteur de charge.

Study and diagnosis of skeleton deformities such as scoliosis require a three-dimensional approach allowing bones' position and geometry analysis. The Laboratoire de Biomécanique (Paris, France) and the Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie (Montréal, Canada) have developed 3D reconstruction methods of skeleton from biplanar X-rays, especially from the low dose imaging device EOS (Biospace med, Paris, France). These methods allow a global 3D analysis of the patient, in standing position with a low radiation dose. However the reconstruction time remains too important for a routine clinical use.The purpose of this Ph.D. thesis is to progress in automation of 3D reconstruction methods from biplanar X-rays. The proposed approaches will be applied to thoracic and lumbar spine for scoliosis study and diagnosis. A reconstruction method based on parametric models relying on longitudinal and transversal statistical inferences was proposed and evaluated. This method gives very quickly (2min 30s), from a few identifications of anatomical landmarks in the X-rays, a first estimate of the subject-specific model of the spine with clinical measurements dedicated to scoliosis diagnosis. If necessary, a more accurate 3D subject-specific model may be obtained in a reduced reconstruction time (10min) from operator adjustments of the model which auto improves as soon as the model is corrected., Pour comprendre et diagnostiquer des pathologies telles que la scoliose qui affectent l'organisation spatiale de notre squelette, il est essentiel d'aborder ces problématiques en trois dimensions. Dans le cadre de leur collaboration franco-canadienne, le Laboratoire de Biomécanique et le Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie ont développé des méthodes de reconstruction 3D du squelette à partir de radiographies biplanes, notamment à partir du système de radiographie base dose EOS (Biospace Med, Paris). Ces techniques permettent une analyse clinique globale du patient, en position debout et avec très peu d'irradiations. Néanmoins, le temps de reconstruction reste contraignant pour une utilisation en routine clinique. L'objectif de cette thèse est donc de progresser dans l'automatisation des méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes. Les méthodes développées seront appliquées au rachis thoracique et lombaire, dans le contexte spécifique de l'étude de la scoliose. Une méthode de reconstruction s'appuyant sur une description paramétrée du rachis et sur des inférences statistiques longitudinales et transversales a été proposée et évaluée. Cette méthode permet, à partir de la saisie opérateur de quelques repères anatomiques dans les radiographies, d'obtenir très rapidement (2min 30s) une reconstruction 3D pré-personnalisée du rachis ainsi que des paramètres cliniques dédiés au diagnostic de la scoliose. Une reconstruction 3D plus précise peut être obtenue en un temps relativement réduit (10min) à partir d'ajustement opérateurs du modèle, qui s'auto-améliore par inférences au fur et à mesure des retouches. Afin de poursuivre la semi-automatisation de cette méthode, des techniques de recalage 2D/3D par traitement d'image, basées sur la segmentation des radiographies mais également sur des mesures de similarités entre des radiographies simulées et les clichés réels ont été proposées. Ces algorithmes s'appuient sur des modèles pseudo-volumiques de vertèbres, plus réalistes que les modèles surfaciques couramment utilisés. Les techniques de recalage ont été intégrées dans le protocole de reconstruction utilisant une description paramétrée du rachis et des inférences, pour proposer et évaluer une nouvelle méthode de reconstruction. Ce travail de thèse ouvre des perspectives concrètes en termes d'utilisation de telles méthodes en routine clinique et permet de poser des bases importantes pour automatiser les méthodes de reconstruction 3D à partir de radiographies biplanes de l'ensemble du squelette.

INTRODUCTION : Recent appearance of the first spinal implants, in the middle of the twentieth century, marks not only an acceleration of the development of spinal surgery, but also birth of a specific technology, which is yet only at its beginnings. How to evaluate these spinal implants, both at the time of their design and during surgery planning? Our research tasks were articulated around these issues.MATERIALS & METHODS : The first of our two axes of investigation relates to the normative evaluation in fatigue of spinal implants, and more particularly of osteosynthesis implants. We animated thus a work group, composed of implants manufacturers and researchers of the LBM, in order to propose a project of international standard defining methods for functional evaluation of spinal implants, taking into account the last scientific knowledge, particularly concerning the constraints undergone by spinal instrumentations in vivo. Our second axis of investigation relates to the biomechanical analysis, using numerical method, of the lumbar spine surgery. We worked for that on personalized geometrical and mechanical numerical model and finite elements simulation of the lumbar spine and its surgery. We have, within the framework of the Orthosim European project, contributed to make this tool evolve. Then, an extensive evaluation of the tool, as a help for surgical planning, was carried out. We finally carried out a preliminary evaluation of the influence of the operator on the answer of the tool and took part in its integration within the framework of an Internet website. RESULTS : The tests carried out according to the suggested protocol made it possible to highlight failure modes of the implants similar to those observed in vivo, confirming the functional aspect of the evaluation. Technical contents of the draft standard obtain a consensus from the ISO experts in September 2006. The final publication as an international standard is effective since April 2008. Then, the simulations tool was developed and improved, initially by making the process reliable, then by widening the panel of the surgery options available. The retrospective evaluation confirmed the predictive aspect of simulations, regarding the influence of a given surgical strategy on the clinical result. Lastly, the provision of the clinicians of the simulations tool was committed. CONCLUSION : This work enabled us to contribute, on the one hand to the evolution of standards for spinal implants evaluation, with a more biomechanical dimension, and on the other hand to take part in installation of an innovating tool, based on numerical simulations, for surgery planning and biomechanical analysis of the lumbar spine surgery, INTRODUCTION : L'apparition récente des premiers implants rachidiens, au milieu du vingtième siècle, marque non seulement une accélération du développement de la chirurgie rachidienne, mais également la naissance d'une technologie spécifique, qui n'en est encore qu'à ses débuts. Comment évaluer ces implants rachidiens, aussi bien lors de leur conception que lors de la planification de la chirurgie? C'est autour de cette problématique que nos travaux de recherche se sont articulés. MATERIELS & METHODES: Le premier de nos deux axes d'investigation concerne l'évaluation préclinique en fatigue des implants rachidiens, et plus particulièrement des implants d'ostéosynthèse. Nous avons ainsi animé un groupe de travail, composé d'industriels et de chercheurs du LBM, afin de proposer un projet de norme internationale définissant des méthodes d'évaluation fonctionnelle des implants rachidiens, prenant en compte les dernières connaissances scientifiques, notamment concernant les contraintes subies par les instrumentations rachidiennes in vivo. Notre second axe d'investigation concerne l'analyse biomécanique par méthode numérique de la chirurgie du rachis lombaire. Nous nous sommes appuyés pour cela sur un outil de modélisation, géométrique et mécanique, et de simulation par éléments finis personnalisées du rachis lombaire et de sa chirurgie. Nous avons, dans le cadre du projet européen Orthosim, contribué à faire évoluer cet outil. Ensuite, une évaluation extensive de l'outil, en tant qu'aide à la planification chirurgicale, a été réalisée. Nous avons enfin réalisé une évaluation préliminaire de l'influence de l'opérateur sur la réponse de l'outil et participé à son intégration dans le cadre d'un portail Internet. RESULTATS : Les essais réalisés suivant le protocole proposé ont permis de mettre en évidence des modes de rupture en fatigue des implants tels qu'observés in vivo, confirmant l'aspect fonctionnel de l'évaluation. Le contenu technique du projet de norme en découlant à fait l'objet d'un consensus des différents experts de l'ISO en septembre 2006. La publication définitive en tant que norme internationale a été acceptée en avril 2008. Ensuite, l'outil de simulation a été développé et amélioré, d'abord en fiabilisant le processus, puis en élargissant le panel des options de chirurgie proposées. L'évaluation rétrospective a confirmé le caractère prédictif des simulations proposées, quant à l'influence d'une stratégie chirurgicale donnée sur le résultat clinique. Enfin, la mise à disposition des cliniciens de l'outil de simulation a été engagée. CONCLUSION : Ce travail de doctorat, nous a permis de contribuer d'une part à l'évolution des normes d'évaluation auxquelles nous avons tenté de donner une dimension biomécanique, et d'autre part de participer à mise en place d'un outil innovant d'aide à la planification et à l'analyse biomécanique de la chirurgie rachidienne, basé sur les simulations numériques personnalisées.

Cerebral Palsy (CP) results from a non progressive lesion in the immature brain affecting 4/1000 of new-born. It results in abnormalities of muscle strength and tone (spasticity), causing contractures tending to progress with growth and bone deformities. The aim of this doctoral thesis is to assess a 3D subject specific modelization of gait analysis, bones and muscles of lower limbs in order to allow a better clinical decision making. Gait analysis was provided in a laboratory installed in Lebanon. A database of healthy children was established to better understand gait pattern of children with CP. Uncertainties on gait parameters were assessed, using repeatability study and Monte Carlo technique, in order to objectify comparison between patient's gait and healthy patterns or between pre and post patient treatment. Subject specific 3D reconstruction of lower limb bones in standing position was done by stereoradiography, using EOS® system, for CP and non CP children in order to validate faisability of this technique within children. Skeletal deformities were quantified and their uncertainty calculated. Registering technique of lower limbs with gait analysis frames was evaluated using a stereoradiographic cabin installed in Beirut. MRI acquisitions done in Beirut allowed us to obtain subject specific 3D reconstructions of muscles in lying position. Muscular geometry was quantified by calculating volumes, cross physiological areas and lengthes. 3D reconstructions of muscles in standing position was possible by combining MRI and stereoradiography data, allowing us to calculate muscle/tendon length ration. This work allows a better comprehension of gait abnormalities based on musculo-skeletal deformities for a better clinical decision making of patients with CP., L'infirmité motrice cérébrale (IMC) est une pathologie résultante d'une lésion cérébrale qui atteint environ 4/1000 des nouveau-nés. Cette pathologie consiste en un trouble moteur dû à la contraction continue des muscles (spasticité) qui induit des raideurs musculaires évolutives avec l'âge engendrant des déformations osseuses. L'analyse quantifiée de la marche (AQM) permet d'objectiver et de mieux cibler les traitements orthopédiques. Cette thèse vise à enrichir l'AQM par une modélisation tridimensionnelle personnalisée du squelette et des muscles. L'AQM a été effectuée dans un laboratoire installé au Liban. Une base de données de sujets sains a été établie pour servir de référence à la compréhension des patterns de marche des patients. Une estimation des incertitudes liées aux paramètres de l'AQM a été effectuée, par étude de répétabilité et méthode de Monte Carlo, afin d'objectiver les comparaisons entre patients et sujets sains et entre données pré et post traitement. Une reconstruction 3D personnalisée du squelette en position debout a été effectuée par stéréoradiographie sous le système EOS® chez des enfants sains et IMC pour valider la faisabilité d'une telle technique. Des paramètres quantifiant les vices architecturaux ont été calculés et les incertitudes ont été estimées. Le recalage des structures osseuses durant la marche a été étudié grâce à la mise en place d'une cabine de stéréoradiographie au laboratoire d'analyse de la marche à Beyrouth. Des acquisitions IRM chez des sujets sains et un sujet IMC à Beyrouth ont permis d'explorer la faisabilité de la reconstruction 3D personnalisée des muscles des membres inférieurs en position couchée. La géométrie musculaire a été quantifiée en terme de longueurs, volumes et aires physiologiques. Une première approche de la reconstruction 3D des muscles en position debout a été réalisée en combinant les données de l'IRM et les structures osseuses obtenues par stéréoradiographie, permettant ainsi de calculer les rapports de longueurs entre corps musculaire et partie tendineuse. Ce travail permet d'analyser les anomalies de la marche à la lumière des déformations osseuses et musculaires pour une meilleure prise en charge thérapeutique des enfants IMC.

Our century is marked by an important and increasing incidence of degenerative spine diseases (causing invalidating low back pain) and of their surgical treatments that, in spite of a true explosion of dedicated methods and implants, do not always succeed to relief symptoms and to allow a normal personal and professional life for the patient. The purpose of this PhD project, in partnership between the Laboratory of Biomechanics, the ANRT, Eurosurgical/Spinenetwork (industry) and six clinical centers, was the analysis of correlations between spine biomechanical parameters, clinical and functional outcome of the surgical treatment and patient's quality of life, in order to better understand the biomechanical reasons of the success or failure in lumbar spine surgery and to identify the eventual key factors. After a detailed literature analysis tracing the state-of-art, we realised a multicentric data collection (mainly retrospective) and implemented a method of quantitative analysis, based on a software allowing the calculation of biomechanical parameters from radiological exams (that we first validated). This allowed, for 319 selected patient's files, a clinical and biomechanical «in extenso” analysis connecting clinical outcome and patient's configuration during his follow-up and highlighting the factors having an impact on the outcome (and the biomechanical parameters allowing to describe them). Thus, some vertebral parameters were related to early detection of complications (adjacent segments disease, subsidence, loss of correction) and satisfactory clinical outcomes were associated to some values of spinal and pelvic parameters, describing normal spine geometry and balance. Moreover, quantitative biomechanical analysis based on X-rays films allowed to verify the obtained correction and its stability during time, the normality of patient's configuration, associated to an “economical” balance, as well as the kinematics of the treated and adjacent segments. These elements may complete clinical exam and give additional information (to the surgeon) concerning the prognostic of a chosen treatment (i.e. good or marked by a risk of recidive or complication), modifying and supporting patient's specific/ individual care., Notre siècle est marqué par une incidence annuelle importante et grandissante des pathologies (surtout dégénératives) à l'origine de lomboradiculalgies invalidantes, ainsi que de leur traitement chirurgical qui, malgré une vraie explosion de méthodes et implants dédiés, ne parvient pas toujours à améliorer les symptômes et permettre au patient de reprendre une vie personnelle et professionnelle normale. L'objectif de ce travail de thèse, en partenariat entre le Laboratoire de Biomécanique, l'Agence Nationale pour la Recherche et la Technologie(ANRT), la société Eurosurgical/SpineNetwork et six centres cliniques partenaires, a été l'analyse des corrélations entre les paramètres biomécaniques du rachis, le résultat clinique et fonctionnel d'un traitement chirurgical, l'état général du patient et sa qualité de vie, afin de mieux comprendre les causes biomécaniques de la réussite ou de l'échec des traitements chirurgicaux sur le rachis lombaire et d'identifier les possibles facteurs clé. Après une analyse bibliographique approfondie pour évaluer l'existant, nous avons mis en place une collecte multicentrique de données (principalement rétrospective) et une méthodologie d'analyse quantitative, appuyée sur un logiciel permettant le calcul de paramètres biomécaniques à partir d'examens radiologiques (que nous avons tout d'abord validé). Ceci a permis, pour les 319 dossiers sélectionnés, une analyse de données in extenso à la fois clinique et biomécanique, qui met en parallèle le résultat clinique et la configuration du patient au cours de son suivi, soulignant les facteurs qui influencent le résultat et les paramètres biomécaniques permettant de les caractériser. Ainsi, un certain nombre de paramètres vertébraux a pu être relié à la détection précoce des complications (dégradation des étages adjacents, subsidence, perte de correction) et les résultats cliniques favorables ont été associés à certaines valeurs des paramètres rachidiens et pelviens, décrivant une géométrie rachidienne normale et équilibrée. De plus, l'analyse biomécanique quantitative à partir de radiographies de rachis permet de s'assurer de la correction obtenue et de sa stabilité dans le temps, de la configuration normale, associée à un équilibre économique du patient, ainsi que de la normalité de la cinématique des étages traités ou adjacents. Ces éléments peuvent compléter l'examen clinique et enrichir les indices dont le clinicien dispose, concernant le pronostique d'un traitement choisi, qu'il soit bon ou marqué par un risque de récidive ou de complication, modifiant et appuyant ainsi la prise en charge du patient.

The aims of this study were to 1) better understand the relative contribution of morphological (muscle CSA) and muscle activation (EMG) underlying the between-gender differences in neck torque ratios in healthy male and female non-pilots and also between neck pain and asymptomatic fighter pilots and 2) to examine the impact of helmet mounted display and gender on the neural activation patterns of neck muscles induced by simulated flight under acceleration with different head-neck configurations in non-pilots subjects and on the 3D kinematics of the head-neck segment of fighter pilots under normal gravity (lG). Non-pilot men displayed higher specific tension of neck flexors and neuromuscular efficiency compared with women, the latter exhibiting also higher levels of coactivation of antagonistic and stabilizer muscles. Neck pain pilots displayed lower specific tension of neck muscles during side-bending contractions likely related to neuromuscular and morphological differences of lateral neck muscle s such as the splenius capitis. The second part of the study revealed that muscles responses were different across gender; the women showing higher levels of muscle activity during sustained head-neck posture under Gz loading and particularly when helmet with mounted display was tested. In addition, 3D-kinematics analysis showed that neck pain pilots displayed lower coupled motions and lower joint position sense. Furthermore, during actual moderate flight, this type of helmet altered the strength of neck muscles even in asymptomatic pilot s. These findings underscore the potential higher risk of injury in women compared with men when helmet mounted display are used during flight and the need to improve the neck strength and CSA in women and/or weak pilots., Ce travail a pour objectifs 1) d'examiner la part des facteurs morphologiques (surface de section musculaire) et nerveux (électromyographie de surface) responsables des différences de rapport de force du segment tête-cou entre hommes et femmes ainsi qu'entre pilotes de chasse sains et cervicalgiques, et 2) de mieux cerner l'influence des propriétés inertielles du casque et du genre sur les patrons de recrutement musculaire lors de vols simulés de sujets non-pilotes et également chez des pilotes sains et cervicalgiques en analysant le comportement cinématique 3D à 1G. L'étude I montre que les muscles fléchisseurs présentent une force spécifique et une efficience neuromusculaire supérieures chez les hommes ainsi qu'une coactivation des muscles stabilisateurs et antagonistes plus élevés chez les femmes. L'étude II rapporte une force spécifique des muscles participant à l'inclinaison plus élevée chez les pilotes sains et associée à des différences d'efficience neuromusculaire et/ou de surface de section des muscles splenius capitis notamment. L'impact des caractéristiques inertielles du casque sur les patrons de recrutement lors du maintien de postures spécifiques sous accélérations est plus marqué chez les femmes notamment lors du port du casque équipé de jumelles de vision nocturne. L'analyse cinématique 3D à 1G montre que les pilotes cervicalgiques présentent une limitation de l'amplitude des mouvements couplés ainsi qu'une altération du sens de repositionnement. En condition de vol réel modéré, le port d'un casque intégrant un viseur semble altérer la capacité de production de force de pilotes de chasse asymptomatiques. Ces résultats soulignent la prépondérance des risques encourus par le personnel naviguant féminin et/ou masculin ayant un segment tête-cou faible, et la nécessité d'un renforcement les muscles cervicaux.

Due to ageing, total hip arthroplasty is becoming a common surgery. However complications such as early dislocations may occur. Therefore functional and three-dimensional (3D) evaluation of the hip joint is of major interest for health-care. 3D reconstruction methods were elaborated in vitro, on excised bones, for the proximal femur and the pelvis. The purpose of this research was the in vivo quantitative 3D evaluation of the hip joint. The EOS® device was used to obtain frontal and sagital standing X-rays with extra low dose of radiation. The main difficulty for the in vivo hip 3D reconstruction is the bone superposition on the lateral view. In order to unlock this problem, methods based on the deformation of patient specific models using a database were developed in order to obtain a reproducible and precise reconstruction tool. These methods were developed for the proximal femur and the pelvis. The inter-observer reproducibility was 2.2 mm and 2.6 mm (2 standard deviations) for respectively the proximal femur and the pelvis. These methods were then used for patients needing primary or secondary hip arthroplasty. Standing, sitting and squatting EOS® X-rays were performed. Positional and morphological parameters were then evaluated. Statistically significant differences were found between control subjects and patients, especially for the pelvis position. An in vivo hip analysis tool was developed thanks to this research. The EOS® device potential was also highlighted for 3D quantitative functional analysis of healthy or implanted hip., Avec le vieillissement de la population, la pose de prothèses totales de hanche est devenue une opération courante. Pourtant, des complications peuvent avoir lieu, entrainant des luxations précoces. L'analyse fonctionnelle et tridimensionnelle (3D) de la hanche devient donc un enjeu clinique important. Des méthodes de reconstruction 3D du fémur proximal et du bassin ont été développées in vitro, sur des os isolés. Le but de cette recherche est l'analyse tridimensionnelle quantitative de l'articulation de la hanche in vivo. Le système EOS® a été utilisé pour obtenir deux radiographies face et profil en position debout, avec une très faible irradiation. La difficulté principale pour la reconstruction de la hanche in vivo est liée à la superposition des structures osseuses sur la vue de profil. Afin de lever ce verrou scientifique, des méthodes basées sur la déformation d'objets paramétriques pré-personnalisés, obtenus à partir d'une base de données, ont été développées afin d'obtenir un outil précis et reproductible de reconstruction. Cette méthodologie a été développée pour le fémur proximal et pour le bassin. La reproductibilité inter-opérateurs obtenues est de 2,2 mm et de 2,6 mm (2 écart-types) pour respectivement le fémur proximal et le bassin. Ces méthodes ont également été utilisées pour l'analyse de patients nécessitant la pose ou la reprise d'une prothèse totale de hanche. Des stéréoradiographies en positions debout, assis et accroupi ont été réalisées. Un ensemble de paramètres positionnels et morphologiques ont été évalués. Des différences statistiquement significatives ont été remarquées entre les patients avant chirurgie et un groupe de sujets contrôle, notamment pour la position du bassin. Ces recherches ont permis la réalisation d'un outil d'analyse de la hanche in vivo. Elles ont également souligné le potentiel du système EOS® pour l'analyse quantitative fonctionnelle et tridimensionnelle de l'articulation de la hanche saine et prothésée.

Cervical total disc replacement is a fast growing novel surgical procedure. The goal of our study was to evaluate the biomechanical behavior of various design of prosthesis after implantation within the c-spine, with a specific interest in the influence of the geometry of the implants. The 3D finite element modeling showed variations of the estimated kinematics, prosthesis stress and facets loads following changes in the center and radius of a ball-andsocket arthroplasty. In spite of a great interindividual variability in vivo, the 2D analysis of dynamic flexion / extension radiographs of two series of patients with two different types of ball-an-socket prostheses demonstrated a propensity of the geometric center to influence the actual mean center of rotation. The development of the 3D EOS® imaging system for the cervical spine yielded us first to validate the use of this system then to study a double bearing prosthesis in the 3D space in vivo in a patient series. Ours results demonstrate the influence of the geometry of the bearing surfaces in articulated total disc prostheses at the cervical spine. The interrelationships between the prosthesis and the facets suggest the importance of patient specific modeling for guiding the surgical planning., 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.

Hip fractures are largely considered as a major health-care problem. 90% of hip fracture result of a fall of the subject on the hip. To analyse the implication of muscles, a biomechanical hip model including soft tissue is proposed in this study. An original method for muscular volume reconstruction from a reduced number of CT-scan slices and a quantification of muscular tissue quality was developed. Method was based on deformation of a parameterized patient specific object of each muscle. Using only 4 slices for each muscle, error of volume measurement is lower than 6% comparing to volume obtained manually. Analysis of 98 subjects allowed to assess reference values and to bring to the light invariants. Finite element model includes bones structures and soft tissue, with surface contact elements between components. Hyperelastic constitutive equations, with hypothesis of incompressibility and isotropy were used to model soft tissue mechanical behaviour. Preliminary simulations with quasi-static lateral compression were performed to verify the coherence of the model's response for ten subjects and to bring out the importance of a patient specific modelling approach., Les fractures de l'extrémité supérieure du fémur représentent un problème de santé publique. 90% des fractures du col fémoral résultent d'une chute du sujet sur la hanche. Pour étudier le rôle des muscles, une modélisation préliminaire en éléments finis de la hanche incluant ses tissus mous est proposée dans cette thèse. Cette modélisation a nécessité la mise au point d'une méthode originale de reconstruction des volumes musculaires et de quantification du tissu musculaire à partir d'un nombre réduit de coupes CT-scan. La méthode s'appuie sur une déformation sous contrainte d'un modèle paramétré pré-personnalisé de chaque muscle. Avec seulement quatre coupes par muscle, l'erreur d'estimation du volume est alors inférieure à 6% en comparant avec le volume reconstruit entièrement manuellement. L'étude de 98 sujets a alors permis d'établir les valeurs de références et la variabilité inter-individuelle pour ces données quantitatives et a également mis en évidence des invariants. La modélisation en éléments finis intègre les structures osseuses et les tissus mous, avec une gestion des contacts de surface entre les composants. Les lois matériaux utilisées pour les tissus mous sont de type hyperélastique incompressible isotrope. Les premières évaluations de ce modèle, soumis à une compression latérale en quasi-statique, ont permis de vérifier la cohérence du comportement du modèle pour dix sujets et de mettre en relief l'importance d'une modélisation personnalisée.

Most of the models used in gait analysis use generic data, and thereby don't take the patient's morphology (body segment parameters, forces' lever arms) into account. This work consists in enhancing those models, by integrating patient specific geometric and mechanical characteristics. Clinical trials, including a gait analysis, a stereo-radiography with the EOS® low dose biplanar X-ray system, and an MRI exam, are conducted on 10 healthy subjects and 5 patients waiting for an anterior cruciate ligament reconstruction. The bones' and the external envelope's geometry is reconstructed from the stereo-radiographies. Registering the bones into the gait analysis frame enables us to locate precisely the centre of the femoral head (CFH). The patient specific body segment parameters (BSP) are computed and integrated into the model. The impact of using the registered CFH and the BSP can not be neglected, as the difference to the moments computed with the conventional method reaches respectively 2 and 0.5%BW*Ht. Apart from its clinical application, the patient specific muscular geometry is an important input data for muscular models, which determine the forces produced by the muscles, ligaments and the contact areas. We present an original method enabling us to reconstruct the 13 main muscles involved in the knee joint's motion using 6 to 8 MRI images. The reconstruction takes an hour and provides the muscles' volume and surface with an error of 5% and 5mm (2RMS). This project provides the baselines for a patient specific muscular model, which will inform us on the different structures' contribution to the joint forces and moments, and thereby help us to better understand the pathologies and the patients' compensatory strategies., La plupart des modèles utilisés pour calculer les efforts articulaires sont génériques et ne tiennent pas compte de la morphologie du patient, qui influence non seulement les caractéristiques inertielles mais aussi les bras de levier des forces exercées. Ce travail de thèse propose d'améliorer ces modèles, en intégrant les caractéristiques géométriques et mécaniques personnalisées du sujet. Les essais cliniques comprenant une analyse de la marche, une stéréoradiographie avec le système biplan à faible dose d'irradiation EOS® et un examen d'IRM sont menés sur 10 sujets sains et 5 sujets en attente d'une reconstruction du ligament croisé antérieur. La géométrie osseuse et de l'enveloppe externe est reconstruite à partir des clichés stéréo-radiographiques. Le recalage des os dans le système d'analyse du mouvement permet une localisation précise du centre de la tête fémorale (CTF). Les paramètres inertiels personnalisés (BSP) des segments sont calculés et intégrés dans le modèle. L'impact de l'utilisation du CTF recalé et des BSP n'est pas négligeable, les écarts avec les moments obtenus par les méthodes conventionnelles pouvant atteindre respectivement 2 et 0.5%BW*Ht. Outre son intérêt clinique, la géométrie musculaire personnalisée constitue une donnée d'entrée essentielle aux modèles permettant de répartir les efforts en leurs composantes musculaires, ligamentaires et de contact. Nous présentons un protocole permettant de reconstruire les 13 principaux muscles impliqués dans le mouvement du genou à partir de 6 à 8 coupes IRM. Ces muscles sont reconstruits en une heure, avec des erreurs volumique et surfacique inférieures à 5% et 5mm (2RMS). Ce projet pose les bases pour la mise en place d'un modèle musculaire personnalisé, qui permettra de mieux comprendre l'apport de chaque structure aux efforts articulaires, fournissant ainsi un éclairage sur les pathologies et les stratégies compensatoires des patients.

Durant les quinze dernières années, les progrès réalisés dans le domaine de la prévention des accidents de la route ont permis l'économie de nombreuses vies. Les améliorations proposées par les constructeurs, parmi lesquelles le développement de systèmes de retenue et l'optimisation de la structure des véhicules, ont apporté un réel bénéfice, tout particulièrement dans le choc frontal, alors que cette configuration reste la plus fréquente (60% environ) des accidents corporels ; F. Hartemann (13) cite le chiffre de 47,4% des accidents mortels. [...]