Faculté informatique et communications IC, Section d'informatique, Institut des systèmes informatiques et multimédias ISIM (Laboratoire de réalité virtuelle VRLAB)

A biomechanics-based articulation model for medical applications

Maciel, Anderson ; Thalmann, Daniel (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3360.

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    Summary
    Computer Graphics came into the medical world especially after the arrival of 3D medical imaging. Computer Graphics techniques are already integrated in the diagnosis procedure by means of the visual tridimensional analysis of computer tomography, magnetic resonance and even ultrasound data. The representations they provide, nevertheless, are static pictures of the patients' body, lacking in functional information. We believe that the next step in computer assisted diagnosis and surgery planning depends on the development of functional 3D models of human body. It is in this context that we propose a model of articulations based on biomechanics. Such model is able to simulate the joint functionality in order to allow for a number of medical applications. It was developed focusing on the following requirements: it must be at the same time simple enough to be implemented on computer, and realistic enough to allow for medical applications; it must be visual in order for applications to be able to explore the joint in a 3D simulation environment. Then, we propose to combine kinematical motion for the parts that can be considered as rigid, such as bones, and physical simulation of the soft tissues. We also deal with the interaction between the different elements of the joint, and for that we propose a specific contact management model. Our kinematical skeleton is based on anatomy. Special considerations have been taken to include anatomical features like axis displacements, range of motion control, and joints coupling. Once a 3D model of the skeleton is built, it can be simulated by data coming from motion capture or can be specified by a specialist, a clinician for instance. Our deformation model is an extension of the classical mass-spring systems. A spherical volume is considered around mass points, and mechanical properties of real materials can be used to parameterize the model. Viscoelasticity, anisotropy and non-linearity of the tissues are simulated. We particularly proposed a method to configure the mass-spring matrix such that the objects behave according to a predefined Young's modulus. A contact management model is also proposed to deal with the geometric interactions between the elements inside the joint. After having tested several approaches, we proposed a new method for collision detection which measures in constant time the signed distance to the closest point for each point of two meshes subject to collide. We also proposed a method for collision response which acts directly on the surfaces geometry, in a way that the physical behavior relies on the propagation of reaction forces produced inside the tissue. Finally, we proposed a 3D model of a joint combining the three elements: anatomical skeleton motion, biomechanical soft tissues deformation, and contact management. On the top of that we built a virtual hip joint and implemented a set of medical applications prototypes. Such applications allow for assessment of stress distribution on the articular surfaces, range of motion estimation based on ligament constraint, ligament elasticity estimation from clinically measured range of motion, and pre- and post-operative evaluation of stress distribution. Although our model provides physicians with a number of useful variables for diagnosis and surgery planning, it should be improved for effective clinical use. Validation has been done partially. However, a global clinical validation is necessary. Patient specific data are still difficult to obtain, especially individualized mechanical properties of tissues. The characterization of material properties in our soft tissues model can also be improved by including control over the shear modulus.
    Résumé
    L'infographie a dans un premier temps été introduite dans le monde médical grâce à l'imagerie médicale tridimensionnelle. De nos jours, l'infographie fait partie du processus de décision par le biais notamment de l'analyse visuelle tridimensionnelle des tomographies, des images de résonnance magnétique et même des ultra-sons. Cependant, ces techniques fournissent uniquement des représentations statiques des patients et manquent d'informations fonctionnelles. Nous pensons que dans une prochaine étape, le diagnostic assisté par ordinateur et la planification de chirurgie dépendront du développement de modèles tridimensionnels ainsi que fonctionnels du corps humain. C'est dans cet esprit que nous proposons un modèle d'articulations basé sur la biomécanique. Un tel modèle est capable de simuler la fonctionalité des articulations pour permettre de nombreuses applications médicales. Nous l'avons développé en nous concentrant sur les exigences suivantes : il doit être à la fois assez simple pour être implémenté sur un ordinateur et assez réaliste pour permettre des applications médicales ; il doit être visuel de telle manière que l'utilisateur puisse explorer l'articulation dans un environnement de simulation tridimensionnelle. Ainsi, nous proposons de combiner le mouvement cinématique des parties pouvant être considérées comme rigides (les os), et la simulation physique des tissus mous (les ligaments et les cartilages). De plus, nous considérons les interactions entre les différents éléments de l'articulation. Pour ce faire, nous proposons un modèle spécifique de gestion de contact. Notre squelette cinématique est basé sur l'anatomie. Des précautions particulières ont été prises pour inclure des caractérisiques anatomiques commes le déplacement des axes, les limites articulaires ainsi que le couplage entre les articulations. Une fois le modèle tridimensionnel du squelette construit, il peut être animé en utilisant des données issues de la capture de mouvements ou spécifiées par un spécialiste. Notre modèle de déformation est une extension du système classique des masses-ressorts. Un volume sphérique est considéré autour des points de masse et les propriétés mécaniques des vrais matériaux peuvent être utilisées pour paramétrer le modèle. La visco-élasticité, l'anisotropie ainsi que la non-linéarité des tissus sont simulées. En particulier, nous proposons une méthode pour configurer la matrice masse-ressort de telle manière que les objets se comportent en suivant un module de Young prédéfini. Un modèle de gestion de contact est aussi proposé pour gérer les intéractions géométriques entre les éléments composant une articulation. Aprés avoir testé plusieurs approches, nous avons proposé une nouvelle méthode pour la détection de collisions qui mesure en temps constant la distance signée au point le plus proche pour chaque point de deux maillages susceptibles de rentrer en collision. Nous proposons également une méthode de réponse aux collisions qui agit directement sur la géométrie des surfaces afin que le comportement physique se base sur la propagation des forces de réaction produites à l'intérieur du tissu. Enfin, nous avons proposé un modèle tridimensionnel d'une articulation combinant trois éléments : le mouvement anatomique du squelette, la déformation biomécanique des tissus mous et la gestion de contact. Sur cette base, nous avons construit une hanche virtuelle et nous avons implémenté un ensemble de prototypes d'applications médicales. De telles applications permettent l'estimation de la distribution des tensions sur les surfaces de l'articulation, l'estimation des limites articulaires basées sur les contraintes des ligaments, l'estimation de l'élasticité des ligaments à partir de limites articulaires mesurées cliniquement et d'évaluation pré- et post-opératoires de la distribution des tensions. Bien que notre modèle fournisse aux médecins d'importantes indications pour le diagnostic et la planification de chirurgie, il doit encore être amélioré pour une être utilisé cliniquement. Des validations partielles ont été effectuées mais une validation clinique globale serait encore nécessaire.