Construction of musculoskeletal systems for anatomical simulation

par Ali Hamadi Dicko

Thèse de doctorat en Mathématiques et informatique

Sous la direction de François Faure et de Olivier Palombi.

Le président du jury était Philippe Cinquin.

Le jury était composé de Benjamin Gilles, Hervé Delingette, Stéphane Cotin.

Les rapporteurs étaient Sidney Fels, Ladislav Kavan.

  • Titre traduit

    Construction de systèmes musculosquelettiques pour la simulation anatomique


  • Résumé

    L'usage d'humains virtuels s'est démocratisé à de nombreuses activités ces dernières années.Au-delà de la chirurgie virtuelle, les corps virtuels sont de plus en plus utilisés pour concevoir des dispositifs médicaux, des véhicules et des outils de notre quotidien plus généralement.Ils se sont avérés être également d'extraordinaires supports à l'apprentissage de l'anatomie.De récents films (Avatar, Le seigneur des anneaux, etc) ont démontré que l'anatomie et la biomécanique peuvent être utilisées pour concevoir des personnages d'une grande qualité.Cependant, reproduire le comportement des structures anatomiques demeure une tâche complexe, et de nombreuses connaissances variées sont nécéssaires à la mise en place de simulation de qualité de nos organes. Ceci fait de la modélisation pour la simulation d'humains une problématique non résolue, une tâche fastidieuse, mais également un sujet de recherche fascinant.À travers ces travaux de thèse, nous abordons cette problématique de la construction de systèmes musculo-squeletiques pour ces domaines variés : animation, biomécanique et aide à l'apprentissage.Notre objectif est de simplifier le processus entier de création en le rendant plus intuitif et plus rapide.Notre approche consiste à pallier à chacune des difficultés, à savoir : la représentation et la manipulation de connaissances anatomiques, la modélisation géométrique et la simulation efficace de systèmes musculosquelettiques grâce à trois principalescontributions introduites durant ces travaux de recherche.Notre première contribution se focalise sur la construction biomécanique d'un modèle hybride du rachis lombaire.Dans ces travaux, nous montrons que les approches hybrides combinant des systèmes de corps rigides et des modèles éléments finis permettent d'obtenir des simulations en temps intéractifs, précises, et respectant les principes de l'anatomie et de la mécanique.Notre seconde contribution s'intéresse aux problématiques liées à la complexité des connaissances anatomiques, physiologiques et fonctionnelles. En se basant sur une ontologie de l'anatomie et une ontologie inédite de la physiologie humaine, nous introduisonsun pipeline pour la construction automatique de modèles simulant les fonctions de nos organes.Celles-ci permettent d'exploiter les connaissances anatomiques complexes via des requêtes simples.Les sorties de ces requêtes sont utilisées pour créer des modèles simulables retranscrivant les aspects fonctionnels tels qu'ils ont été formalisés et décrits par les anatomistes.Enfin, notre troisième contribution : le transfert d'anatomie, permet d'adapter les modèles géométriques et mécaniques à la morphologie de patients spécifiques.Cette nouvelle méthode de recalage permet de reconstruire automatiquement l'anatomie interne d'un personnage défini par sa peau en transférant les organes d'un personnage de référence.Elle permet de pallier à la nécessité de re-construire ces géometries pour chaque nouvelle simulation, et contribue ainsi à accélérer la mise en place de simulations spécifiques à une grande variété d'individus de morphologie différente.


  • Résumé

    The use of virtual humans has spread in various activities in recent years.Beyond virtual surgery, virtual bodies are increasingly used to design medical devices, vehicles, and daily life hardware more generally.They also turn out to be extraordinary supports to learn anatomy.Recent movies (Avatar, Lord of the Rings, etc) demonstrated that anatomy and biomechanics can be used to design high-quality characters.However, reproducing the behavior of anatomical structures remains a complex task, and a great amount and variety of knowledge is necessary for setting up high quality simulations.This makes the modeling of human body for simulation purposes an open problem, a tedious task, but also a fascinating research subject.Through this PhD, we address the problem of the construction of biomechanical models of the musculoskeletal systems for several domains : animation, biomechanics and teaching.Our goal is to simplify the entire process of model design by making it more intuitive and faster.Our approach is to address each difficulty : the representation and use of anatomical knowledge, the geometrical modeling and the efficient simulation of the musculoskeletal system thanks to three novel contributions introduced during these research works.Our first contribution focuses on the biomechanical construction of a hybrid model of lumbar spine.In this work, we show that hybrid approaches that combine both rigid body systems and finite element models allow interactive simulations, accurate, while respecting the principles of anatomy and mechanics.Our second contribution addresses the problem of the complexity of anatomical, physiological and functional knowledge.Based on a novel ontology of anatomical functions of the human body, we introduce a novel pipeline to automatically build models that simulate physiological functions of our bodies.The ontology allows us to extract detailed knowledge using simple queries.The outputs of these queries are used to set up simulation models of the functional aspects as they were formalized and described by anatomists.Finally our third contribution, the anatomy transfer, allows the mapping of available geometrical and mechanical models to the morphology of any specific individual.This novel registration method enables the automatic construction of the internal anatomy of any character defined by his skin, by transferring organs from a reference character.It allows to overcome the need to re-construct these geometries for each new simulation, and it contributes to accelerate the simulations setup for a range of people with different morph


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