Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux

Type de document

THESE

Langue

anglais

Auteur

BONCI

Résumé / Abstract

En analyse 3D du mouvement humain, lorsqu'elle est effectuée à l'aide de systèmes stéréophotogrammétriques optoélectroniques et de marqueurs cutanés, l'estimation de la position et de l'orientation des os ne peut être effectuée que de façon indirecte. Au cours d'une tâche motrice, la déformation des tissus mous engendre le déplacement des marqueurs cutanés par rapport à l'os sous-jacent, générant ce que l'on appelle un artefact des tissus mous (STA). En général, le STA est causé par le glissement de la peau associé aux mouvements des articulations, à la déformation volumétrique des tissus mous due à la contraction musculaire, à la gravité et aux effets inertiels sur les masses molles (oscillations). La fréquence de ces mouvements est similaire à celle du mouvement des os, rendant, de ce fait, ces mouvements impossibles à distinguer par technique de filtrage. En outre, le STA est sujet-, tâche-, et position-spécifique. Par conséquent, le STA représente le principal problème lors de l'estimation de la position et de l'orientation optimales des os, et la question de sa compensation reste ouverte. Le but de cette thèse de doctorat a été de contribuer à solutionner ce problème crucial. Modéliser ce phénomène à partir de variables essai-spécifiques mesurables est une condition fondamentale afin d'en soustraire les effets à la trajectoire des marqueurs cutanés. Ce modèle doit être introduit dans un estimateur de position et d'orientation des os, afin de réduire de façon appropriée les inexactitudes et d'améliorer significativement l'estimation de la cinématique articulaire. Deux architectures de modèle de STA sont proposées. Pour commencer, un modèle d'artefact de la cuisse au niveau des marqueurs est présenté. Le STA a été modélisé comme une combinaison linéaire de la cinématique angulaire de l'articulation impliquée dans le mouvement. Ce modèle a été calibré en utilisant à la fois des mesures ex-vivo et in-vivo invasives (vis intra-corticales) de STA. Le nombre considérable de paramètres du modèle à identifier a conduit à la simplification du champ de STA. Ce dernier a été défini comme le déplacement de chaque marqueur cutané pendant la tâche par rapport à sa position de référence dans le repère anatomique de référence. Une approche modale a ensuite été utilisée pour approximer le STA, pour lequel trois définitions ont été proposées afin de représenter le phénomène par une série de modes: déplacements individuels des marqueurs, transformations géométriques d'un cluster de marqueur, et variations de la forme de l'enveloppe cutanée. Il est important de souligner que la définition par transformations géométriques du cluster de marqueurs permet de dissocier la composante rigide de l'artefact de sa composante non-rigide. Les modes obtenus grâce aux trois définitions susmentionnées ont été sélectionnés selon deux critères différents: ceux représentant un certain pourcentage de l'énergie totale du STA (classement) ou ceux décrivant la composante rigide de l'artefact, qui peuvent être choisi a priori. En suivant cette dernière approche, il a été démontré empiriquement avec des données simulées que seule la composante rigide de l'artefact affecte la cinématique articulaire, indépendamment de l'amplitude de la composante non-rigide. Pour cette raison, un modèle de la composante rigide du STA (au niveau du cluster) a été défini, en utilisant la transformation géométrique du cluster de marqueurs, pour les segments de la cuisse et de la jambe. Les modes rigides sélectionnés ont été modélisés par une combinaison linéaire des angles articulaires impliqués dans le mouvement. Cette représentation du STA, en réduisant les degrés de liberté du champ de STA, permet de réduire le nombre de paramètres du modèle à identifier. Un compromis acceptable entre l'efficacité à compenser le STA et le nombre de paramètres du modèle peut être obtenu en utilisant cette modélisation du STA. Ceci améliore l'estimation de la position et de l'orientation des os et, par conséquent, l'exactitude de la cinématique articulaire. Les principales applications possibles des résultats de cette thèse sont les suivants. Tout d'abord, les modèles proposés permettent de générer, tant au niveau du marqueur que du cluster, des STAs réalistes qui peuvent ensuite être utilisés efficacement à des fins de simulation lors de l'évaluation comparative d'estimateurs de la cinématique du squelette. En second lieu et surtout, en se concentrant uniquement sur les composantes rigides de l'artefact, le modèle permet une reconstruction satisfaisante de l'artefact à l'aide d'un nombre réduit de paramètres. Cette caractéristique rend faisable l'introduction du modèle dans un estimateur de position et d'orientation des os.