Subject-specific geometric modeling of the human body (external and internal) from External data
Modélisation géométrique du corps humain (externe et interne) à partir de données externes
Résumé
Digital human models (also called digital manikins) 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, such as the position of the joint centers, from external data only. The LBM/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. This PhD aims to propose new external-internal relationship to predict the position of characteristic points of the internal skeleton, including joint centers and other anatomical bony landmarks, from external data points. 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. These relationships were evaluated using the acquisitions of a body scanner. 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 (également appelés mannequins numériques) sont devenus des outils indispensables à l'étude de la posture et du mouvement dans de nombreux domaines de la biomécanique visant des applications en ergonomie ou dans le domaine 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, comme la position des centres articulaires, 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, ce projet de doctorat vise à proposer de nouvelles relations externes-internes pour prédire la position de points caractéristiques du squelette interne, incluant des centres articulaires et d'autres points anatomiques osseux, à partir de données uniquement externes. Au cours de ce travail, de nouvelles relations statistiques externes-internes ont été proposées 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. Ces relations ont été évaluées à partir des acquisitions d'un body scanner. 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.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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