La présente invention a pour objet un procédé de simulation avec un système informatique de l'appareil locomoteur d'une personne.

L'invention se rapporte plus particulièrement mais non exclusivement à la détermination de grandeurs mécaniques représentatives d'une contrainte exercée sur les os via les cartilages et/ou les muscles de l'appareil locomoteur de la personne en mouvement.

11 est connu d'observer les mouvements provoqués par F actuation des muscles dans le plan sagittal encore appelé plan de flexion/extension des segments osseux de appareil locomoteur d'une personne lors du déplacement de ce dernier. Cependant, cette observation ne prend pas en compte des mouvements parasites, encore appelés mouvements d'adduction/abduction et de rotation interne/externe subis par le squelette lors d'un déplacement et qui peuvent être à l'origine de pathologies.

Des modèles existent par ailleurs pour simuler l'appareil locomoteur d'une personne. Cependant, ces modèles ne considèrent pas, à la connaissance de la Demanderesse, le pied comme une articulation en interaction défonnable avec le reste de l'appareil locomoteur, limitant la précision de tels modèles et la pertinence du calage des mesures effectué à l'aide de ces modèles. De tels modèles ne prennent également pas en compte, à la connaissance de la Demanderesse, les mouvements de la rotule, et ne permettent pas de gérer un double contact condylien de l'articulation du genou.

En outre, les modèles connus ne considèrent pas l'appareil locomoteur depuis les pieds jusqu'aux cervicales.

La demande US 2008/0285805 divulgue un procédé de mesure de grandeurs mécaniques associées à des mouvements du corps humain. Cette demande n'enseigne pas de simuler le déplacement de l'appareil locomoteur d'une personne. En outre, le modèle utilisé selon cette demande US 2008/0285805 ne représente pas le pied comme une articulation défonnable, le pied étant représenté comme un segment relié à un autre segment par une articulation.

ïl existe un besoin pour améliorer encore les techniques de simulation de l'appareil locomoteur d'une personne, par exemple pour déterminer des grandeurs mécaniques représentatives d'une contrainte exercée sur les muscles et/ou les cartilages des os de l'appareil locomoteur de la personne en mouvement. L'invention a pour objet de répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l'un de ses aspects, grâce à un procédé mis en œuvre avec un système informatique de simulation de l'appareil locomoteur d'une personne à l'aide d'une structure musculo- squeiettique virtuelle, la structure musculo-squeiettique s 'étendant des cervicales aux pieds et représentant les pieds comme une articulation déformable,

des grandeurs d'entrée appliquées à la structure musculo-squeiettique étant modifiables et/ou

la structure musculo-squeiettique étant modifiable en agissant sur des paramètres prédéfinis, la structure musculo-squeiettique prenant en compte :

- les interactions entre le comportement cinématique et dynamique des pieds et le comportement cinématique et dynamique d'au moins une autre articulation de l'appareil locomoteur, et

les mouvements provoqués dans le plan sagittal lors du déplacement de l 'appareil locomoteur et les mouvements subis par le squelette dans au moins un plan autre que le pian sagittal,

procédé dans lequel

- on simule le mouvement et/ou le déplacement de l'appareil locomoteur à l'aide de la structure musculo-squeiettique et,

- on fait varier au moins l'un des paramètres prédéfinis de la structure musculo-squeiettique et/ou au moins une des grandeurs d'entrée appliquées à la structure musculo-squeiettique pour les adapter au fonctionnement de l'appareil locomoteur de ladite personne.

Par « adapter la structure musculo-squeiettique au fonctionnement de l'appareil locomoteur de ladite personne », respectivement « adapter la ou les grandeurs d'entrée appliquées à la structure muscuio-squelettique au fonctionnement de l'appareil locomoteur de ladite personne », il faut comprendre faire correspondre des valeurs de données associées à une simulation de l'appareil locomoteur à l'aide de cette structure muscuio-squelettique, respectivement des valeurs de grandeurs d'entrée appliquées à ladite structure, et les valeurs de ces mêmes données associées à l'appareil locomoteur de ladite personne, ces données étant par exemple mesurées ou prédéfinies.

Le plan sagittal est encore appelé plan de flexion/ extension des segments osseux de l'appareil locomoteur. L'adaptation de la structure musculo-squelettique au fonctionnement de l'appareil locomoteur de la personne peut être précédée par une étape mise en œuvre à l'aide d'un appareil d'imagerie médicale 3D , tel qu'un scanner ou un IRM. Lors de cette étape, on peut soumettre l'appareil locomoteur de la personne à un scanner ou un IRM et, notamment par une reconstruction en trois dimensions, obtenir un premier jeu de valeurs des paramètres de la structure musculo-squelettique.

Grâce à l'invention, on peut identifier la manière spécifique de marcher de chaque personne en adaptant la structure musculo-squelettique et/ou les grandeurs d'entrée appliquées à la structure au fonctionnement de l'appareil locomoteur de cette personne.

La personne dont on cherche à simuler 1 ' appareil locomoteur peut par exemple être une personne réelle ou virtuelle.

En outre, de par l'observation des mouvements et efforts subis par le squelette dans au moins un plan autre que le plan sagittal, l'invention perme de prendre en compte des mouvements et efforts potentiellement responsables de l'apparition de pathologies.

Le procédé peut comporter l'étape selon laquelle on fait une acquisition en régime statique et en mouvement de données relatives à l'appareil locomoteur de la personne et/ou d'au moins une grandeur d'entrée appliquée à l'appareil locomoteur de la personne et selon laquelle on fait varier l'un au moins des paramètres prédéfinis de la. structure musculo-squelettique et/ou au moins une grandeur d'entrée appliquée à la structure pour les adapter au fonctionnement de l'appareil locomoteur de la personne en fonction des données acquises.

En variante ou en combinaison avec ce qui précède, le procédé peut comporter l'étape selon laquelle on saisit des données relatives à l'appareil locomoteur de la personne et/ou à au moins une grandeur d'entrée appliquée à l'appareil locomoteur de la personne dans le système informatique et selon laquelle on fait varier l'un au moins des paramètres prédéfinis de la structure musculo-squelettique et/ou au moins une grandeur d'entrée appliquée à la structure pour les adapter à l'appareil locomoteur de la personne en fonction des données saisies.

Les données relatives à l'appareil locomoteur de la personne, mesurées et/ou saisies, peuvent correspondre à des paramètres prédéfinis de la structure musculo- squelettique et/ou à au moins une grandeur d'entrée appliquée à la structure. En variante, lesdites données sont différentes desdits paramètres et/ou grandeurs d'entrée.

L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un système informatique de simulation de l'appareil locomoteur d'une personne à l'aide d'une structure musculo-squelettique virtuelle, s 'étendant des cervicales aux pieds et représentant les pieds comme une articulation déformable,

des grandeurs d'entrée modifiables étant appliquées à la structure musculo-squelettique et/ou des paramètres prédéfinis de la structure étant modifiables,

la structure musculo-squelettique prenant en compte :

les interactions entre le comportement cinématique et dynamique des pieds et le comportement cinématique et dynamique d'au moins une autre articulation de l'appareil locomoteur, et

les mouvements provoqués dans le plan sagittal lors du déplacement de l'appareil locomoteur et les mouvements subis par le squelette dans au moins un plan autre que le plan sagittal.

Des paramètres prédéfinis de la structure musculo-squelettique peuvent être relatifs à la forme des os, par exemple choisis parmi des dimensions des os et/ou des valeurs d'angles entre différentes parties d'un os ou entre deux os adjacents, et l'on peut faire varier ces paramètres lors de la simulation en déformant les os.

Les paramètres prédéfinis de la structure musculo-squelcttiques peuvent être relatifs à la forme et/ou à la position des attaches musculaires et l'on peut faire varier ces paramètres lors de la simulation en déformant et/ou en déplaçant les attaches musculaires.

Les paramètres prédéfinis de la structure musculo-squelettique peuvent être relatifs à la taille des cartilages, à leur forme et à la position des cartilages par rapport aux os.

Des paramètres prédéfinis de la structure musculo-squelettique peuvent encore être relatifs aux coefficients de couplage entre les axes de segments osseux de l'appareil locomoteur.

La structure musculo-squelettique peut ainsi permettre de représenter fidèlement l'appareil locomoteur de la personne.

Le pied, est par exemple représenté dans la structure musculo-squelettique comme un ensemble comportant entre deux et vingt-six os articulés les uns par rapport aux autres. Il peut s'agir de tous les os réels du pied d'une personne. Une telle modélisation du pied peut être suffisamment simple pour que le déplacement du pied lors d'une simulation s'effectue en temps réel tout en étant suffisamment détaillée pour fournir des informations exploitables.

Le pied peut, être relié au reste de la structure musculo-squelettique par deux articulations :

- une première articulation par rapport à l'axe de Henke passant par un point de la partie supérieure externe de la tête de l'astragale et un point de la partie inférieure externe du sinus tarsien. L'astragale effectue par exemple autour de cet axe de Henke une rotation par rapport au caicanéum. Cette première articulation peut être caractérisée entre autres par un coefficient propre à chaque personne et traduisant la raideur de l'articulation autour de cet axe,

- une deuxième articulation autour d'un deuxième axe correspondant à l'axe d'un cylindre passant au milieu de la surface de contact entre le scaphoïde et l'astragale. L'axe de ce cylindre peut définir l'axe de rotation du mouvement entre le scaphoïde et l'astragale.

La grandeur d'entrée peut être l'un au moins parmi les trois angles de rotation du bassin, le décalage latéral du bassin, l'angle de flexion de la hanche, l'angle de flexion des genoux, la largeur du pas, l'ouverture du pas, la flexion du caicanéum par rapport au sol et la direction de roulement du caicanéum par rapport au sol.

Lors du procédé, on observe par exemple les mouvements subis par îe squelette dans des plans frontaux et transversaux dans lesquels se produisent des mouvements du squelette sous l'action du poids, de la réaction du sol et de la tenue des moments passifs exercés sur les articulations correspondant à la raideur élastique paramétrable des capsules et des ligaments.

Lors de la mise en œuvre du procédé selon des modes de réalisation de l'invention, il n'est pas nécessaire de mesurer les mouvements de la structure musculo- squelettique dans tous les plans, des mesures de mouvements dans certains plans pouvant par exemple être déduites de certaines autres mesures dans d'autres plans.

Le procédé peut comporter l'étape consistant à déterminer au moins une grandeur mécanique représentative d'une contrainte exercée sur les cartilages des os et/ou les muscles de cette personne en mouvement. La grandeur mécanique est par exemple choisie parmi :

l'amplitude des mouvements de rotation interne/externe du membre inférieur,

les surfaces de contact des articulations coxo-fémorales, ces surfaces comprenant, par exemple la surface de la tête fémorale et/ou de la cotyle.

le point d'application des efforts sur les articulations coxo-fémorales, par exemple sur la tête fémorale et/ou la cotyle, et la répartition de ces derniers,

l'angle entre l'axe des condyles fémoraux et le plateau tibial,

la rotation de l'axe des condyles fémoraux par rapport à la perpendiculaire à. 1 ' axe du plateau tibial,

la répartition des efforts entre les deux condyles fémoraux, la vitesse, la direction l'orientation de ! ^" articulation peronéo-tibio- astragaliennc,

les surfaces de contact entre l'articulation péronéo tibiale et le dôme de l'astragale,

la vitesse et la direction de roulement du calcanéum par rapport au sol, l'angle de rotation de l'astragale par rapport au calcanéum. l'élongation des muscles,

l'interaction entre les muscles et les os,

- la pression, sur les cartilages

des indicateurs en chaque point de pivotement et/ou de roulement par exemple le taux de pivotement et le taux de roulement.

L'invention peut permettre, en observant l'une au moins des grandeurs mécaniques ci-dessus, de détecter, de quantifier et/ou de localiser les causes d'éventuelles pathologies existantes ou à venir.

Le procédé peut comporter l'étape selon laquelle on introduit des paramètres relatifs à au moins une orthèse et/ou à une prothèse portée par la personne et selon laquelle on ajuste la forme et/ou la dureté de ladite orthèse et/ou de ladite prothèse en faisant varier l'un au moins desdits paramètres relatifs à ladite orthèse et/ou à ladite prothèse, de façon à minimiser la ou lesdites grandeurs mécaniques, ce qui peut permettre de concevoir une orthèse et/ou une prothèse permettant de minimiser une pathologie. Ainsi, postérieurement à l'adaptation de la structure musculo-squelettique au fonctionnement de l'appareil locomoteur de ladite personne, on peut permettre de prendre en compte lors de la simulation une orthèse et/ou une prothèse.

L'invention peut également permettre de prévoir l'apparition et l'évolution d'éventuelles pathologies en l'absence du port d'orthèses ou de prothèses.

Le procédé peut comporter l'étape selon laquelle on fabrique automatiquement l'orthèse et/ou la prothèse selon le matériau, la forme et/ou ses caractéristiques physiques ajustées.

L'orthèse est par exemple une semelle orthopédique.

Les données relatives à l'appareil locomoteur de la personne peuvent être acquises à l'aide de capteurs portés par la personne et/ou d'une plateforme de forces et/ou d'une caméra haute cadence et/ou d'une plateforme de capture de la pression plantaire. Les capteurs peuvent comporter au moins un capteur de contraction musculaire, encore appelés capteurs EMG.

Le système informatique peut comporter un écran et le procédé peut comporter l'étape selon laquelle on visualise sur l'écran au moins une image de la structure musculo- squelettique.

L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif pour la mise en œuvre du procédé ci-dessus.

L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de détermination du placement d'une prothèse du genou dans l'appareil locomoteur d'une personne, le procédé étant effectué à l'aide d'un modèle de l ^' appareil locomoteur de la personne, notamment à l'aide de la structure musculo-squelettique ci-dessus, et comprenant l'étape consistant à effectuer différentes simulations du déplacement de l'appareil locomoteur de la personne à l'aide du modèle en surveillant au moins un critère prédéfini.

Le modèle, notamment la structure musculo-squelettique ci-dessus, référence par exemple les points d'attache des ligaments latéraux (et éventuellement croisés} du genou et le critère peut être l'évolution de la distance entre lesdits points d'attache.

En variante du critère ci-dessus ou en combinaison avec ce dernier, le modèle, notamment la structure musculo-squelettique ci-dessus, peut permettre d ^' observer le point d'application de la force de contact au niveau de l'interface entre les condyles et le tibia au cours de la marche et la position du point d'application peut définir un critère pour le positionnement de la prothèse du genou.

La structure musculo-squelettique avec une prothèse ainsi positionnée peut ensuite être utilisée par un chirurgien avant une opération. Ce dernier peut, par le biais de simulations à l'aide de cette structure musculo-sq elettique, s'assurer que la prothèse sera efficace ou ne s'usera pas trop vite, par exemple.

Un guide de positionnement, de la prothèse peut être proposé au chirurgien en fonction du résultat de la simulation.

Suivant le même principe on peux déterminer le placement d'une prothèse de hanche.

L'invention pourra être mieux comprise à ia lecture de la description qui va suivre d'exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :

- la figure 1 représente de façon schématique un dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.

- la figure 2 représente une structure musculo-squelettique selon un exemple de mise en œuvre de l'invention,

- la figure 3 représente un exemple de système d'acquisition selon un exemple de mise en œuvre de l 'invention,

- la figure 4 représente un détail de la figure 3,

- la figure 5 représente un ensemble comportant une structure musculo- squelettique selon la revendication 2 et une semelle

- ia figure 6 représente de façon schématique un procédé de fabrication de semelles orthopédiques selon un exemple d'application de l'invention,

- la figure 7 représente un exemple de procédé d'identification de ia dynamique de l'appareil locomoteur à l'aide de la structure musculo-squelettique et d'utilisation de la dynamique ainsi identifiée,

- la figure 8 représente de façon schématique des étapes correspondant à la déformation du pied lors d'une simulation à l'aide de la structure musculo-squelettique,

- la figure 9 représente la partie du genou du côté du fémur selon un exemple de structure -musculo-squelettique, - la figure 10 représente la partie du genou du côté du tibia selon un exemple de structure musculo-squeiettique et,

- la figure 1 1 est représente une prothèse du genou du côté du. tibia intégrée à un exemple de structure musculo-squeiettique.

Dispositif

On a représenté à la figure 1 un exemple de dispositif 1 pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.

Le dispositif 1 est par exemple agencé pour permettre de simuler l'appareil locomoteur d'une personne à l'aide d'une structure musculo-squeiettique virtuelle 10.

Ce dispositif 1 comporte un système informatique 1 1 comportant un ordinateur

2 et/ou un calculateur 5. L'ordinateur comporte par exemple un écran 3 permettant de visualiser des images de la structure musculo-squeiettique, par exemple lors de l'adaptation de cette dernière au fonctionnement de l'appareil locomoteur d'une personne, comme décrit par la suite. Le calculateur 5 peut être intégré ou non à l'ordinateur 2. Ce dernier peut comporter un clavier 4 ou toute autre interface utilisateur permettant, à un utilisateur de saisir des données.

Structure musculo-squeiettique

On a représenté à la figure 2 un exemple de structure musculo-squeiettique 10 selon l'invention, représentant l'appareil locomoteur de la personne.

Cette structure musculo-squeiettique 10 peut s'étendre des pieds aux cervicales et permettre de traduire les interactions entre le comportement cinématique et dynamique des pieds de la personne et le comportement cinématique et dynamique d'autres articulations de l'appareil locomoteur de la personne.

La structure musculo-squeiettique 10 peut également prendre en compte les mouvements provoqués dans le plan sagittal lors du déplacement de l'appareil locomoteur de la personne et les mouvements subis par le squelette dans au moins un plan autre que le plan, sagittal, notamment dans les plans frontaux et transversaux dans lesquels se produisent des mouvements du squelette sous l'action du poids, de la réaction du sol et de la tenue des moments passifs exercés sur les articulations.

La. structure musculo-squeiettique permet par exemple une observation en trois dimensions des os, une observation des attaches musculaires et des points définissant les cartilages. Des éléments géométriques étant par exemple des sphères, des cylindres, des axes et des points représentent par exemple les différents éléments de la structure musculo-squelettique.

Cette structure musculo-squelettique est par exemple caractérisée par des paramètres prédéfinis qui peuvent être modifiés par l'utilisateur en fonction de données propres à l'appareil locomoteur de la personne. Ces paramètres prédéfinis sont par exemple relatifs à la forme des os, étant notamment choisis parmi des dimensions des os et/ou des valeurs angles entre différentes parties d'un os ou entre deux os adjacents.

Indépendamment ou en combinaison de ce qui précède, des paramètres prédéfinis de la structure musculo-squelettique peuvent être relatifs à la forme et/ou à la position des attaches musculaires.

indépendamment ou en combinaison de ce qui précède, des paramètres prédéfinis de la structure musculo-squelettique peuvent être relatifs à la taille des cartilages, à leur forme et à la position des cartilages par rapport aux os.

Indépendamment ou en combinaison de ce qui précède, des paramètres prédéfinis de 1a structure musculo-squelettique peuvent être associés à des règles et des contraintes géométriques garantissant la cohérence des mouvements simulés au niveau des articulations. Ces contraintes géométriques se rapportent par exemple :

- à la position de la hanche; la tête du fémur et le cotyle devant par exemple rester concentriques et en même position,

- à la rotation de la hanche; le centre de rotation de la hanche devant par exemple être confondu avec le centre de la tête du fémur,

- à la. position du genou,

- à la rotation du genou, celle-ci devant par exemple rester libre en adduction et étant imposée en flexion,

- à la position de la cheville, le centre d'un cylindre représentant l'astragale devant être confondu avec le centre d'un cylindre représentant le tibia,

- à la rotation de la cheville, celle-ci devant par exemple être libre autour de l'axe de la cheville et contrainte selon les deux autres axes définissant avec l'axe de la cheville un repère en trois dimensions orthogonal.

- à la rotation de l'astragale par rapport au calcanéum, cette rotation devant être semi-libre avec un couple de rappel ayant une valeur de constante élastique paramétrable autour de l'axe de Henke et contrainte autour des deux autres axes définissant avec l'axe de Henke un repère en trois dimensions orthogonal

- au couplage entre le genou et l'axe de Henke, et

- aux mouvements du pied, ces mouvements devant accompagner ceux du calcanéum sauf lorsque le pied rencontre le sol.

De tels paramètres prédéfinis sont par exemple les coefficients de couplage entre les axes de segments osseu de l'appareil locomoteur.

La structure muscul o- squel etti qu e 10 représente par exemple le pied comme une articulation déformable, comportant entre deux et vingt-six os articulés, par exemple dix-sept os.

La structure musculo-squelettique peut être soumise à des grandeurs d'entrées en rapport avec des mouvements activés par les muscles de l'appareil locomoteur et sur lesquelles un utilisateur peut agir pour déman-er une simulation du mouvement et/ou du déplacement de l'appareil locomoteur.

La structure musculo-squelettique permet d'observer des grandeurs de sortie en rapport avec des mouvements subis par le squelette et qui correspondent par exemple à des grandeurs mécaniques représentatives d'une contrainte exercée sur les cartilages des os et/ou les muscles de cette personne en mouvement, ces sorties étant observables et quanti fiables à. l'aide du dispositif selon l'invention.

On peut choisir comme grandeurs d'entrée l'un au moins parmi les trois angles de rotation du bassin, le décalage latéral du bassin, l'angle de flexion de la hanche, l'angle de flexion des genoux, la largeur du pas, l'ouverture du pas, la flexion du calcanéum par rapport au sol et la direction de roulement du calcanéum par rapport au sol. Les grandeurs de sortie sont par exemple des grandeurs mécaniques représentatives d'une contrainte exercée sur les cartilages des os et/ou les muscles de la personne en mouvement, étant par exemple l'un au moins parmi :

l'amplitude des mouvements de rotation interne/ex terne du membre inférieur,

les surfaces de contact des articulations coxo-fémoraies, par exemple les surfaces de la tête fémorale et/ou de la cotyle.

le point d'application des efforts sur les articulations coxo-fémorales, par exemple sur la tête fémorale et/ou la cotyle et la répartition de ces derniers. l'angle entre l'axe des condyles fémoraux et le plateau tibial,

la rotation de l'axe des condyles fémoraux par rapport à la perpendiculaire à axe du plateau tibial,

la répartition des efforts entre les deux condyles fémoraux, la vitesse, la direction l'orientation de l'articulation peronéo-tibio- astragalicnne,

les surfaces de contact entre l'articulation péronéo-tibiale et le dôme de l'astragale,

la vitesse et la direction de roulement d calcanéum par rapport au sol, l'angle de rotation de l'astragale par rapport au calcanéum. l'élongation des muscles,

l'interaction entre les muscles et les os,

la pression sur les cartilages,

des indicateurs en chaque point de pivotement et/ou de roulement d'une surface de l'articulation par rapport à une autre, par exemple le taux de pivotement et le taux de roulement.

D'autres sorties peuvent encore être considérées, comme par exemple la déformation du pied ou encore les angles et la position de la rotule.

Un tel choix de grandeurs d'entrées, lorsque ces dernières sont des mouvements en flexion et quelques constantes relatives à la marche de la personne, de grandeurs de sortie, lorsque ces dernières sont des mouvements dans des plans autres que le plan sagittal, de nature de la stracture musculo-squelettique, pennettent la prise en compte lors de la simulation de prothèse(s) et/ou d'orthèse(s).

On va maintenant décrire en détail un exemple de structure musculo- squelettique au niveau du fémur.

La tête du fémur est représentée par une sphère et le paramètre prédéfini de la stracture musculo-squelettique associé à cette sphère est son rayon. Le rayon de la tête du fémur peut permettre de définir la surface de contact du cartilage.

La base du col du fémur est représentée par des points et le paramètre prédéfini de la structure musculo-squelettique associé à chaque point est sa distance au centre de la tête du fémur. Les deux condyles sont, selon cet exemple, représentés par deux cylindres coaxiaux et les paramètres prédéfinis de la structure musculo-squelettique y étant associés sont le rayon du cylindre extérieur, le rayon du cylindre intérieur et la distance entre les centres des cylindres. Ces rayons intérieur et extérieur peuvent permettre de déterminer l'inclinaison de la surface de contact par rapport à l'axe des cylindres.

D'autres paramètres prédéfinis associés au fémur peuvent être la longueur du fémur, l'angle d'antéversion du col du fémur, l'angle d'ouverture du col du fémur et l'angle d'ouverture du genou, ces derniers ayant une influence sur la longueur du pas et la vitesse angulaire du fémur par rapport au sol, la surface de contact entre le cartilage sur la tête du fémur et le cartilage du cotyle au cours de la marche, l'effort de contact au niveau de la hanche et la largeur du pas.

Système d'acquisition

Le dispositif 1 peut comporter un système d'acquisition 6, comme représenté à la figure 3, qui peut communiquer par une liaison filaire ou non avec le système informatique 11.

Ce système d'acquisition 6 comporte par exemple une pluralité de capteurs 7 portés par la personne et dont on a représenté un exemple à la figure 4, et/ou au moins une plateforme de forces 8.

Dans une variante, le système d'acquisition 6 peut encore comporter au moins une caméra de fréquence d'acquisition d'images supérieure à 100 Hz et/ou une plateforme de capture de la pression plantaire et/ou un ou plusieurs capteurs EMG.

Dans l'exemple décrit, les capteurs 7 sont des mini-centrales inertielles contenues dans un boîtier et comportant :

- un accéléromètre à trois axes donnant des valeurs de l'accélération par rapport au sol du centre du boîtier du capteur dans un repère lié au boîtier, et/ou

- un gyromètre à trois axes donnant des valeurs de vitesse angulaire du centre du boîtier par rapport au sol dans le même repère lié au boîtier et/ou,

- un détecteur en trois dimensions du champ magnétique terrestre.

Dans l'exemple des figures 3 et 4, les capteurs 7 sont intégrés à une combinaison dont la personne est revêtue lors de l'acquisition des données, une telle combinaison étant par exemple commercialisée par la société XSENS ^® . Dans une variante non représentée, les capteurs 7 peuvent être fixés sur des vêtements de la personne de façon amovible, par exemple à l'aide d'un bracelet ou d'une ceinture.

Les données acquises par chaque mini-centrale inertielle 7 peuvent être trois composantes d'accélération et de vitesses angulaires ou une matrice d'orientation du boîtier contenant la mini-centrale inertielle 7 par rapport à un repère lié au sol, cette matrice d'orientation étant représentée par des quatemions.

Les données acquises par les mini-centrales mertielies 7 peuvent permettre d'obtenir :

- des paramètres spatiaux-temporels tels que la vitesse de marche et la cadence de marche de la personne, la longueur du pas de la personne, la largeur du pas, des paramètres tels que la largeur du bassin, une mini-centrale étant par exemple disposée de chaque côté du bassin, ou encore la longueur de la jambe.

des paramètres cinématiques de chaque segment osseux de l'appareil locomoteur, par exemple la vitesse angulaire audit segment.

La ou les plateformes de force 8 peuvent être disposées sous un tapis de pression 9 sur lequel se déplace la personne lors de l'acquisition des données. La ou les plateformes de force 8 délivrent par exemple dans trois plans les composantes de la force de contact du pied sur le sol à une fréquence par exemple supérieure à 200 Hz et avec une résolution spatiale de 0,5 cm. La plateforme de forces peut également permettre de déterminer le centre d'application de la force de contact du pied sur le soi.

En fournissant des informations sur la direction de la force de contact du pied sur le sol et sur son centre d'application, de telles plateformes de force peuvent permettre de mieux évaluer la cinématique du pied, en parti cul ier du talon.

Les données acquises à l'aide de la ou des plateformes de force 8 ou/et le tapis de pression 9 peuvent également permettre de déterminer les phases de pose du pied, la largeur et la longueur du pas et la direction de roulement du calcanéum par rapport au sol.

Dans une variante, le dispositif 1 est dépourvu de système d'acquisition 6. Déformation du pied

Le pied est de préférence relié au reste de la structure musculo-squelettique par deux articulations : une première articulation par rapport à l'axe de Henke passant par un point de la partie supérieure externe la tête de l'astragale et un point de la partie inférieure externe du sinus tarsien. L'astragale effectue autour de cet axe de Henke une rotation par rapport au caicanéum. Cette première articulation est caractérisée entre autres par un coefficient propre à chaque personne et traduisant la raideur de l'articulation autour de cet axe,

une deuxième articulation autour d'un deuxième axe correspondant à l'axe d'un cylindre passant au milieu de la surface de contact entre le scaphoïde et l'astragale. L'axe de ce cylindre définit l 'axe de rotation du mouvement entre le scaphoïde et l'astragale.

On va maintenant décrire en référence à la figure 8 un exemple de déformation du pied lors d'une simulation du déplacement de l'appareil locomoteur à l'aide de la structure musculo-squelettique 10.

Lors d'une étape 50, le caicanéum roule suivant une courbe de roulement projetée sur le sol, entraînant tous les os du pied. La rotation autour de l'axe de Henke de l'astragale par rapport au caicanéum permet que le scaphoïde, l'astragale ainsi que les premier, deuxième et troisième cunéiformes soient également entraînés.

Le scaphoïde est par ailleurs déplacé en rotation par rapport à l'astragale selon i'axe de la deuxième articulation d'un angle de signe inverse de celui correspondant à la rotation de l'astragale par rapport au caicanéum, entraînant les premier, deuxième et troisième cunéiformes, suivis des premier, deuxième et troisième métatarsiens qui subissent une rotation autour de leur tête dans la direction de leur cunéiforme respectif.

A la fin de cette étape 50, la tête du cinquième métatarsien touche le sol.

Lors d'une étape 51 , le caicanéum roule autour de i'axe de contact du talon par rapport au sol, entraînant tous les os du pied.

La rotation autour de l'axe de Henke de l'astragale par rapport au caicanéum permet que le scaphoïde, l'astragale ainsi que les premier, deuxième et troisième cunéiformes soient également entraînés. Le scaphoïde est par ailleurs déplacé en rotation par rapport à l'astragale selon l'axe de la deuxième articulation d'un angle de signe inverse de celui correspondant à la rotation de l'astragale par rapport au caicanéum, entraînant les premier, deuxième et troisième cunéiformes, suivis des premier, deuxième et troisième métatarsiens qui subissent une rotation autour de leur tête dans la direction de leur cunéiforme respectif.

A la fin de cette étape 51 , la tête du premier métatarsien touche le sol.

L'étape 52 correspond à la charge de la voûte plantaire. Lors de cette étape 52, la rotation autour de l'axe de Henke sous la charge exercée par l'appareil locomoteur détermine la déformation du pied.

La rotation de l'astragale par rapport au calcanéum autour de Taxe de Henke entraîne le scaphoïde, l'astragale et les premier, deuxième et troisième cunéiformes. La rotation du scaphoïde par rapport à l'astragale autour de Taxe de la deuxième articulation d'un angle de signe inverse de celui de l'angle correspondant à la rotation de l'astragale par rapport au calcanéum entraîne les premier, deuxième et troisième cunéiformes.

Le premier métatarsien et l'ensemble du premier orteil sont déplacés par translation parallèlement au sol et à l'axe du pied et l'axe de ce premier métatarsien autour de son point de contact par rapport au sol est modifié jusqu'à avoir un point de contact commun avec le premier cunéiforme.

Les deuxième et troisième cunéiformes peuvent être déplacés de façon à obtenir une répartition uniforme de leur centre d'inertie entre le cuboïde et le premier cunéiforme.

Les deuxième et troisième métatarsiens subissent alors une rotation autour de leur tête dans 1a direction de leur cunéiforme respectif. Le cuboïde est alors soumis à une rotation autour de l'axe passant par son centre et le centre du talon d'une valeur d'angle égale à celle de l'angle entre le centre du cuboïde et le centre du premier cunéiforme.

A une étape 53, le talon est décollé du sol par rotation de Lavant-pied, c'est-à- dire la partie du pied en arrière des orteils, autour de l'axe formé par la tête des premier, deuxième et troisième métatarsiens. La déformation complexe inverse autour de l'axe de Henke entraîne une déformation inverse à celle de l'étape 52 jusqu'à obtenir un pied non déformé en fin d'étape 53 à l'issue de laquelle le talon de l'autre pied est posé sur le sol.

Amélioration de la précision des mesures

L'acquisition de données par le système d'acquisition 6 peut faire intervenir plusieurs repères, à savoir

un repère lié au boîtier du capteur contenant une mini-centrale inertielle 7, et dans lequel les mesures sont effectuées par la mini-centrale inertielle 7, un repère magnétique dont l'axe X est dirigé vers le Nord magnétique terrestre, et dont les axes Y et Z forment un plan horizontal,

un repère de marche dont l'axe X est orienté dans le sens de la marche lors du déplacement d'un appareil locomoteur en ligne droite, les axes X, Y de ce repère définissant le plan sagittal et les axes Y, Z de ce repère définissant le plan frontal et,

un repère anatomique défini pour chaque segment osseux de l'appareil locomoteur par rapport à des points fonctionnels de ces segments.

Chaque mini-centrale inertieîle 7 est par exemple agencée pour fournir une matrice de passage du repère lié au boîtier au repère magnétique. Le repère de marche se déduit par exemple du repère magnétique par une simple rotation d'un angle autour d'un axe vertical.

Pour obtenir la position angulaire du repère anatomique de chaque segment osseux de l'appareil locomoteur par rapport au repère de marche, on détermine par exemple la position angulaire du repère anatomique par rapport aux repères liés à chaque boîtier d'un capteur par application d'un protocole spécifique, cette position angulaire étant fixe durant la marche.

On peut ensuite déterminer la position angulaire du repère lié au boîtier de chaque capteur par rapport au repère magnétique qui, comme décrit précédemment, est directement donnée par chaque mini-central inertieîle 7 avec une précision de l'ordre de 4 à 5° en mouvement et de 1 à 2° en régime statique, et l'on peut déterminer la position du repère de marche par rapport, au repère magnétique, le repère de marche étant fixe durant la marche en ligne droite par rapport au repère magnétique.

Il peut s'avérer souhaitable d'améliorer la précision des mesures délivrées par les mini-centrales inertielles 7 concernant la position angulaire du repère lié au boîtier de chaque capteur par rapport au repère magnétique, aussi bien en régime statique qu'en mouvement, les erreurs de mesures effectuées par ces mini-centrales inertielles 7 étant par exemple dues au mouvement de la peau, aux vibrations résultant de la pose du pied sur le sol, au positionnement des mini -centrales inertielles par rapport au repère magnétique, au positionnement des mini-centrales inertielles par rapport au repère anatomique et, à la dérive intrinsèque des capteurs.

Pour ce faire, on peut effectuer les mesures selon un protocole spécifique. Lors des mesures, les capteurs 7 du système d'acquisition sont fixés sur la personne de façon à ce que l'on puisse considérer par la suite que ces capteurs 7 ne bougent plus par rapport à la personne.

On découpe le mouvement de l'appareil locomoteur de la personne lors de l'acquisition de mesures en cinq phases d stinctes : une phase initiale immobile, une phase de mise en marche, une phase en marche cyclique, une phase de fin de marche et une phase finale immobile.

La personne reste par exemple pieds joints, immobile, les plantes des pieds collées au sol quelques secondes et les bouts des deux pieds devant une ligne marquée sur le sol, par exemple. Le dispositif 1 peut comporter un podoscope électronique qui peut permettre de vérifier que les pieds de la personne sont plaqués sur le sol, permettant par exemple d'estimer en partie la position des repères anatomiques par rapport au repère lié au boîtier de chaque capteur.

Le dispositif peut également comporter des moyens pour créer un champ magnétique artificiel constant, par exemple une bobine, de façon à ce que le champ extérieur soit constant et dans la même direction dans l'environnement ambiant lors de la phase initiale immobile.

On effectue par exemple la moyenne des valeurs d'accéléromètre et des sorties d'un magnétomètre pendant cette phase initiale et on en déduit après calcul la matrice de passage initial du repère lié au capteur de chaque boîtier au repère magnétique, ainsi par exemple que des quaternions traduisant la relation initiale entre le repère lié au capteur de chaque boîtier et le repère magnétique.

On mesure ensuite la pente due à la dérive des accéléromètres de chaque minicentrale inertielle 7 et l'on corrige l'ensemble afin d'avoir une valeur constante sur les trois axes du repère lié au boîtier du capteur 7.

On peut placer un capteur libre sur le sol perpendiculairement à la ligne devant îaqueile les pieds de l'utilisateur sont disposés, de façon à mesurer l'angle entre le repère magnétique et le repère de marche.

On peut alors déduire la matrice de passage initiale du repère lié au boîtier de chaque capteur au repère de marche. L'ensemble des opérations peut être rendu indépendant du champ magnétique ambiant, ce qui permet par exemple de s'affranchir de l'évolution ultérieure de celui-ci. Toujours lors de cette phase initiale, on peut définir entièrement ou en partie la position du repère anatomique lié à chaque segment osseux de l'appareil locomoteur.

Cette phase initiale peut permettre de constituer une position de référence propre à chaque patient, de considérer que la vitesse angulaire moyenne est nulle, que l'accélération est égale à l'accélération de la pesanteur, et que l'orientation par rapport au Nord magnétique est fixe.

La phase initiale peut, par exemple dans des applications pour la radiologie, correspondre à l'acquisition d'une image radio en position immobile pieds joints plaqués au sol.

La personne peut alors se déplacer en ligne droite depuis une position où elle est pieds joints jusqu'à une marque sur le sol éloignée d'une distance prédéfinie, par exemple de 6,20 mètres, de la ligne devant laquelle la personne se trouvait initialement, de façon à placer le bout de ses pieds devant cette marque. La personne peut alors rester immobile pieds joints plaqués au sol pendant une durée prédéterminée, par exemple 5 secondes.

Durant la phase de marche cyclique, on applique par exemple un filtre médian sur la longueur d'une période, cette période pouvant être repérée de deux façons:

- entre deux instants correspondant au décollement du pied par rapport au sol ou

- entre deux instants correspondant à la pose du talon sur le sol.

L'emploi d'un tel filtre médian améliore la périodicité des quatemions traduisant la relation entre le repère lié au capteur de chaque boîtier et le repère magnétique pendant cette phase de marche cyclique.

Lors de la phase de fin de marche on déforme par droite ou par parabole la courbe représentative desdits quatemions de façon à ce que la valeur finale d'un quaternion soit proche, notamment égale, à la valeur initiale d'un quaternion.

Enfin, lors de la phase finale on vérifie que chacun desdits quatemions est constant et égal à la valeur initiale.

On peut ainsi tirer parti de la périodicité des valeurs délivrées par Laccéléromètre et le gyromètre de chaque capteur 7.

Le dispositif peut mettre en œuvre un filtre de Kalman fusionnant les mesures effectuées par les capteurs de chaque mini-centrale inertielle et pennettant de limiter les dérives de ces derniers. Un tel filtre de Kalman peut permettre d'effectuer une première correction sur les quaternions traduisant la relation, entre le repère lié à chaque capteur et le repère magnétique.

Une deuxième correction plus fine peut être effectuée en prenant en compte, comme déjà mentionné ci-dessus :

- le fait que la position de départ et d'arrivée étant sensiblement les mêmes, les quaternions devront présenter des valeurs proches, notamment identiques, pour les phases de départ et d'arrivée,

- îe fait que pendant les phases initiales et finales, les quaternions sont constants et

- le fait que pendant la phase de marche cyclique, des mêmes grandeurs sont périodiques.

On peut ainsi améliorer de quelques degrés la précision en mouvement et en régime statique, ce qui. permet d'améliorer la cohérence des mesures.

On peut également effectuer une correction par calage dans les trois plans du repère de marche. On fait par exemple pour cela varier des paramètres prédéfinis de la structure m us eu i o - s quel et t i q u e que l'on scinde en trois structures musculo-squelettique en deux dimensions. On peut faire varier ces paramètres jusqu'à ce que des contraintes relatives à la hauteur de marche, à la longueur totale de la marche et aux instants de double contact au sol soient respectées.

Cette correction peut permettre de déduire la longueur de segments osseux de l'appareil locomoteur, la longueur et la largeur des pas et certains angles initiaux. Cette correction peut également permettre de recaler certains angles au cours du temps.

Adaptation de la structure rnusculo-squelettique à la personne

Un utilisateur peut adapter la structure musculo-squelettique qui vient d'être décrite au fonctionnement de l'appareil locomoteur d'une personne donnée.

De mêmes valeurs d'entrée peuvent être appliquées à la structure musculo- squelettique 10 et à l'appareil locomoteur de la personne et les sorties obtenues pour la personne peuvent être déterminées à l'aide du système d'acquisition 6 puis être transmises au système informatique 1 1.

Une différence entre les sorties provenant d'une simulation à l'aide de la structure musculo-squelettique 10 et celles provenant de l ^' appareil locomoteur de la personne peut alors être déterminée par le calculateur 5 puis, ce dernier peut déterminer une nouvelle valeur à appliquer à l'un au moins des paramètres prédéfinis de la structure musculo-squelettique 10 ou à une grandeur d'entrée appliquée à cette dernière pour mieux les adapter au fonctionnement de l'appareil locomoteur de la personne.

En variante, le dispositif 1 est dépourvu de système d'acquisition et les sorties obtenues à l'aide de la straciure musculo-squelettique sont comparées à des valeurs saisies sur l'interface utilisateur 4 de l'ordinateur 2 par l'utilisateur. Ces valeurs sont par exemple issues de l'expérience de l'utilisateur qui peut être un médecin ou tout autre membre du personnel médical.

L'adaptation peut être réalisée de façon itérative, seuls certains, notamment seulement un, paramètres prédéfinis et/ou grandeurs d'entrée étant par exemple traités au cours d'une itération. En variante, on traite chaque paramètre prédéfini et/ou chaque grandeur d'entrée appliquée à la structure musculo-squelettique à chaque itération.

Lors de cette adaptation, les valeurs d'un ou plusieurs paramètres prédéfinis peuvent être modifiées par l'utilisateur ou automatiquement pour:

- déformer, allonger et/ou déplacer en rotation un ou plusieurs os de la straciure,

- déplacer une ou plusieurs attaches musculaires et/ou déformer celle(s)-ci, et/ou

- modifier la forme d'un ou plusieurs cartilages ci/ou déplacer ce ou ces derniers.

On peut modifier des paramètres prédéfinis relatifs aux os en découpant dans la structure musculo-squelettique les os en plusieurs zones de points et en appliquant à ces points des translations, rotations et/ou homofnéties.

Exemple du genou

On va maintenant décrire un exemple d'adaptation du genou de la structure musculo-squelettique à l'appareil locomoteur de la personne en référence aux figures 9 et 10.

La figure 9 représente un exemple de partie de genou côté fémur de la structure musculo-squelettique. En ce qui concerne la partie du genou se trouvant du côté du fémur, on détennine les rayons RI et R2 de deux cylindres co axiaux de manière à ce que ces cylindres soient respectivement tangents au condyle interne et externe pour une flexion entre fémur et tibia comprise entre 0 et 60°, une telle plage angulaire permettant de représenter de façon satisfaisante la marche de la personne. L'intersection du cylindre de rayon RI , respectivement R2, avec le plan perpendiculaire au plan de tangence de ce cylindre et du condyle interne, respectivement externe, définit un cercle de rayon RI et de centre ( 1. respectivement de rayon R2 et de centre 02.

En ce qui concerne la partie du genou se trouvant du côté du tibia, on cherche Se plan du plateau tibial, ce plan étant défini, comme représenté à la figure 10 par le point Ci du creux tibial interne, le point C2 situé au centre du plat tibial externe et la direction de la crête tibiale Uc, cette direction étant telle que les traces ( encore appelées contours) successives d'une coupe du plateau tibial perpendiculaire à cette direction laisse une trace de crête invariante. On détermine ensuite le centre du plateau Op, ce centre étant le point sommet de la crête tibiale.

Une prothèse du genou peut également être intégrée à la structure musculo- squelettique. On va par exemple considérer une prothèse à glissement à plateau fixe avec rayon de courbure constant mais tout autre exemple de prothèse peut être intégré à la structrure. Pour la partie du genou se trouvant du côté du fémur, on détermine le rayon RI d'un cylindre de manière à ce que ce cylindre soit tangent au condyle interne et externe de la prothèse pour une flexion entre fémur et tibia, comprise entre 0 et 60°. L'intersection de ce cylindre avec deux plans perpendiculaires au plan de tangence avec les condyles définit: deux cercles de rayons égaux RI et R2, ces cercles ayant respectivement pour centre des points 01 et 02.

La partie du genou se trouvant du côté du tibia est représentée à la figure 10. On cherche ici le plan du plateau tibial, ce plan étant défini par le point Cl du creux tibial interne de la prothèse, par le point C2 du creux tibial externe de la prothèse et par la direction de la crête tibiale UC, cette direction étant l'axe de symétrie du plateau tibial de la prothèse.

Les paramètres géométriques définissant cette prothèse peuvent ainsi être les mêmes que ceux du modèle du genou. Ainsi, la simulation du déplacement d'un appareil locomoteur avec prothèse peut être gérée de la même façon que la simulation du déplacement d'un appareil locomoteur sans prothèse. Il est possible, lors de la simulation de faire varier les paramètres de position et d'orientation de la prothèse afin de pouvoir étudier son effet sur la marche de la personne. D'autres types de prothèses peuvent être considérés, par exemple des prothèses à plateaux fixes posterostabilisées, à plateaux mobiles simple ou double mobilité, à charnière, toutes avec un rayon de courbure variable ou non en fonction de l'angle de flexion. On peut modèliser également des prothèses uni compartimentaies . Lorsque ces prothèses ne sont pas modélisables par un élément géométrique simple, on peut utiliser une tabulation du profil de cette prothèse en fonction de la flexion du genou.

L'invention peut permettre de déterminer le placement optimal d'une prothèse du genou dans l'appareil locomoteur. Une telle détermination peut mettre en œuvre plusieurs critères.

Un premier critère est par exemple l'évolution de la distance entre les points d'attache des ligaments latéraux du genou. Ces points d'attache peuvent être référencés dans la structure musculo-squelettique et ils peuvent être visualisés lors de la simulation. Le placement de la prothèse est optimal lorsque la distance entre ces points d'attache reste constante à chaque moment de la marche. Dans un tel cas, on peut parler de respect de la balance ligamentaire en situation de marche. La distance entre les points d'attache dépendant de la position de la prothèse et du comportement du pied, l'étude de cette distance permet de positionner la prothèse.

Un deuxième critère concerne la position du point d'application, de la force de contact au niveau de l'interface entre les condyles et le tibia au cours de la marche. La force est également répartie sur les deux condyles lors de la marche et des phases où le poids du corps sur le sol est le plus important lorsque ce point d'application de la force de contact est au centre du genou. La prothèse est positionnée de façon satisfaisante en l'absence de décollement.

La position de référence du tibia par rapport au fémur lorsque la jambe est en extension et ne supporte pas de charge peut être définie comme suit :

on place le point le plus bas du cercle de rayon R I représenté à la figure 9 en contact avec le point Cl représenté à la figure 10. Dans cette situation, le tibia et le fémur sont verti caux.

par rotation autour d'un axe perpendiculaire au plateau tibial passant par le point Ci , on fait tourner le fémur jusqu'à ce que la projection de l'axe passant par les points 01 et 02 décrits en référence à la figure 9 sur le plateau tibial soit perpendiculaire à la direction de la crête Uc. et on fait subir au fémur une rotation autour d 'un axe parallèle à la direction de la crête Uc et passant par Cl , jusqu'à ce que le fémur soit en contact avec le plateau tibial au point C3. Lors de la simulation du déplacement de l'appareil locomoteur selon un exemple de mise en œuvre de l'invention, le mouvement, du pied peut être tel que déjà décrit ci-dessus. Le bassin peut être déplacé en rotation autour de son centre et subir trois rotations différentes prédéfinies. La correspondance entre le cotyle et la tête du fémur est assurée par la translation de l'ensemble fémur et tibia occupant sa position relative de référence,

La flexion du genou est assurée par une rotation prédéfinie autour de l'axe des cylindres de rayon RI et R2 définis ci-dessus.

La flexion de la hanche est assurée par une rotation prédéfinie de la jambe ( tibia plus fémur) autour de l'axe z horizontal. passant par le centre du cotyie.

La correspondance entre le centre de la partie de la cheville du côté du pied et le centre de la partie de la cheville du côté du tibia est assurée par la translation du bassin, du fémur et du tibia.

La correspondance entre les différents axes de la cheville (axe pince tibiale et axe astragale) est assurée par une rotation interne et externe de la jambe (fémur plus tibia) et par adduction/abduction de la jambe (fémur plus tibia).

La correspondance entre le centre du cotyle et la tête du fémur est assurée par une translation du bassin.

Pour réaliser un ajustement partiel latéral du centre du bassin vers sa position latérale prédéfinie en z, on applique une rotation de l'ensemble formé par le fémur, le tibia et l'astragale autour de l'axe de Henke pour que la position, latérale en z de la tête du fémur ait une valeur donnée, cette proportion de la valeur finale prenant en compte la part de raideur de la rotation autour de l'axe de Henke. On effectue ensuite une translation du bassin, de manière à assurer la correspondance entre tête du fémur et cotyle.

On procède enfin à un ajustement latéral final du centre du bassin au niveau du genou grâce à un mouvement du fémur autour de son point de contact avec le genou pour que la tête du fémur ait une valeur latérale z égale à celle prédéfinie du cotyle. On procède enfin à un ajustement des coordonnées du bassin dans un plan horizontal. Lors de cet ajustement, une gestion du point de contact PC entre le fémur et le plateau tibial est effectuée. Ce point de contact PC est le point Cl ou le point C2 défini ci-dessus. On cherche le point d'intersection PI entre la sphère dont le centre est le point de contact PC et dont le rayon est égal à la distance entre ce point de contact et le centre de la tête du fémur et l'axe vertical passant par le centre du cotyle du bassin. On effectue alors une rotation autour de l'axe perpendiculaire au plan défini par les points PI et PC et par le centre de la tête du fémur d'un, angle égal à l'angle entre la droite passant par les points Pï et PC et la droite passant par le centre de la tête du fémur et le point PC. On vérifie alors que cette rotation ne modifie pas le point de contact PC par détection de collision de l'autre point Cl ou C2 avec le plateau tibial.

Autres exemples d'application

La simulation effectuée de l'appareil locomoteur à. l'aide de la structure musculo-squelettique 10 peut permettre de déterminer les mouvements d'adduction et d'abduction de l'appareil locomoteur, des mouvements de rotation internes et/ou externes de certaines parties de l'appareil locomoteur et également des grandeurs mécaniques représentatives d'une contrainte exercée sur les os ou les muscles de la personne. Le fait de déterminer lesdites grandeurs peut permettre d'établir une corrélation entre l'intensité de ces grandeurs et la gravité d'une pathologie selon l'âge, et d'élaborer un modèle de prédiction de pathologie.

La structure musculo-squelettique peut par exemple être utilisée par des médecins avant ou après une opération pour préparer cette opération ou pour valider une intervention ayant déjà été effectuée.

En variante, on peut simuler l'appareil locomoteur à l'aide de la structure musculo-squeleitique pour représenter fidèlement l 'appareil locomoteur, dans un but pédagogique, par exemple lors d'un cours d'anatomie ou dans un but ludique, par exemple pour réaliser des images de synthèse, pour des jeux vidéos, ou des dessins animés.

On peut par ailleurs identifier la dynamique de la personne à l'aide de la structure musculo-squelettique, selon 3e procédé représenté à la figure 7.

On applique par exemple lors d'une étape 200 un ensemble d'efforts au centre de gravité de la structure musculo-squelettique et l'on simule son déplacement, les grandeurs cinématiques du bas de la structure musculo-squelettique 10 étant par exemple déjà connues à l'aide des mini-centrales inertielles 7 grâce à la simulation cinématique, recal ée ou non.

Par la technique de cinématique inverse, on déduit à une étape 210 les efforts du pied sur le sol, que l'on compare à une étape 220 aux valeurs délivrées par ia ou les plateformes de forces 8,

On répète alors le cas échéant les étapes 200 à 220 en modifiant les valeurs d'efforts appliqués au centre de gravité de la structure jusqu'à ce que l'on obtienne à l'étape 220 des valeurs semblables entre les valeurs mesurées et les valeurs issues de la simulation.

On. peut alors déterminer les efforts inter-segmentaires dans la structure musculo-squeiettique, de tels efforts étant par exemple les efforts du segment du fémur sur le segment tibial, cet effort regroupant les efforts dus à la tension dans les muscles et les efforts de contact au niveau des cartilages.

A une étape 230 on estime les forces musculaires en appliquant un critère de répartiti on entre î es musci es .

A une étape 240, on soustrait les forces musculaires des efforts inter- segmentaires, de façon à obtenir une estimation des forces de contact.

Lors d'une étape 250, on peut modifier la structure musucl o-squel ettiquc en faisant varier l'un au moins des paramètres prédéfinis de ia structure, comme décrit précédemment pour affiner le modèle en corrélation avec la cinématique.

Quand le dispositif 1 est dépourvu de système d'acquisition, on effectue une adaptation de la structure musculo-squelettique au fonctionnement de l'appareil locomoteur de la personne pour que les contraintes soient physiologiquement acceptables.

On peut ensuite à une étape 260 faire varier les valeurs utilisées lors de l'étape 200, ces valeurs étant par exemple délivrées par les plateformes de forces ou attendues.

Lors d'une étape 270, on peut calculer les tensions et les contraintes sur les éléments de la structure musculo-squelettique responsables du maintien élastique ou moments passif, suivant les axes non moteurs et vérifier que ces tensions et contraintes restent dans des valeurs acceptables pour l'appareil locomoteur.

Dans ia négative, on répète les étapes 260 et/ou 270 jusqu'à ce que iesdites tensions et contraintes soient acceptables pour l'appareil locomoteur. Les étapes 260 et 270 peuvent permettre de donner davantage de cohérence à la structure musculo-squelettique 10, notamment en prenant en compte la déformabilité des cartilages.

La structure musculo-squelettique peut par ailleurs permettre, lorsqu'elle a été adaptée au fonct onnement de l'appareil locomoteur de la personne, de connaître à chaque instant de la marche de la personne, la forme, les positions et les vitesses relatives des cartilages, l'intensité des efforts de contact et le point d'action de l'effort de contact, ce qui peut permettre d'obtenir les champs de pression au cours du temps dans des articulations, notamment dans chaque articulation, de l'appareil locomoteur.

On va maintenant décrire en détail une autre application de la simulation de l'appareil locomoteur à l'aide de la structure musculo-squelettique.

Application à la fabrication d'orthèses ou de prothèses

Le dispositif 1 peut être agencé pour permettre à un utilisateur d'introduire, fors de la simulation du mouvement et/ou du déplacement de l'appareil locomoteur à l'aide de la structure musculo-squelettique 10, des paramètres relatifs à au moins une orthèse et/ou une prothèse. Dans l'exemple de la figure 5, il s'agit d'une semelle orthopédique 20 portée par la personne. Ces paramètres concernent, par exemple dans le cas de la semelle orthopédique, la forme et/ou la dureté de celle-ci pouvant être modifiés comme décrit dans la demande FR 2 844 995.

L'introduction de cette semelle orthopédique peut nécessiter de modifier des mouvements de flexion dans le plan sagittal de la structure musculo-squelettique afin de maintenir la variation du mouvement cinétique semblable à celle mesurée sans la semelle orthopédique.

Dans les autres plans, des règles de mécanique et de contact des solides entre l'action du poids du corps et la réaction du sol via les semelles qui sont par exemple considérées comme incompressibles peuvent être appliqués.

On peut faire varier l'un au moins des paramètres relatifs à la semelle en observant, par exemple par itération, l'incidence de cette variation sur une ou plusieurs des grandeurs mécaniques représentatives d'une contrainte exercée sur les cartilages des os et/ou les muscles de cette personne en mouvement. On peut faire converger la valeur du ou des paramètres relatifs à la semelle de façon à minimiser la ou lesdites grandeurs mécaniques. On a par exemple représenté à la figure 6 un exemple de procédé selon l'invention de fabrication automatique de semelles.

A une étape 100, on effectue, à l'aide du système d'acquisition 6 décrit précédemment, des mesures lors de la marche du patient.

A une étape 1 10, on adapte la structure musculo-squelettique décrite ci-dessus au fonctionnement de l'appareil locomoteur du patient.

A une étape 120, on introduit dans cette structure musculo-squelettique ainsi adaptée des paramètres relatifs à au moins une semelle orthopédique 20.

A une étape 130, on simule le déplacement de l ^' appareil locomoteur du patient à l'aide la structure musculo-squelettique en présence de la ou des semelles orthopédiques.

A une étape 140, on observe une ou plusieurs des grandeurs caractéristiques mentionnées ci-dessus.

A une étape 150, on fait varier des valeurs de paramètres relatifs à l'une au moins des semelles orthopédiques.

Les étapes 140 et 150 peuvent être itérées jusqu'à obtenir des valeurs de paramètres relatifs à Tune des semelles 20 minimisant la ou lesdites grandeurs caractéristiques.

A. une étape 160, le dispositif peut communiquer avec un système de conception assistée par ordinateur pour lui transmettre des informations lui permettant de fabriquer une ou plusieurs semelles orthopédiques, cette fabrication ayant lieu à une étape 170.

A. une étape 180, la ou les semelles sont fournies à la personne, étant par exemple directement remises à cette dernière ou envoyées à celle-ci.

L'expression « comportant un » doit être comprise comme signifiant « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.