Modeling of the face soft tissues for computer-aided orthognatic surgery
Modélisation des tissus mous de la face pour la chirurgie orthognatique assistée par ordinateur
Résumé
This thesis presents computer-aided methods for planning in orthognatic surgery. This component of he cranio-maxillofacial surgery adresses facial dysmorphosis, corrected by surgical repositioning of the upper and lower jaw. In a first part, a complete computer-assisted protocol for orthognatic surgery is introduced. Special emphasis is given to the definition of a new 3D cephalometry, to study the deformities of the facial skeleton. The main part of this work then addresses the prediction of the changes of morphology resulting from the bone structures repositioning. This is achieved using a biomechanical model of the patient face soft tissues, based on the finite element method. A model specific to each patient must first be created. Due to the constraints in clinical routine, especially time constraints, usual technics for model generation cannot be used. A new method is therefore presented, which consists in conforming a generic model of the face to the morphology of each patient, using CT scans and elastic registration. Results are qualitatively and quantitatively evaluated on seven patients. Once the model is fitted to the patient, aesthetic and functional outcomes of surgical procedures can be simulated. Simple mechanical hypothesis are considered, e.g. linear elasticity and small deformations. A validation protocol is presented to assess the accuracy of the finite element simulations. By comparing pre- and post-operative CT scans, the bone repositioning actually realized during the surgery are measured. These measured displacements are then applied to the patient model to predict the morphological changes. The accuracy of the simulations can therefore be evaluated by comparison with the actual post-operative data. Results are presented for two patients.
Cette thèse traite du développement d'outils informatiques pour faciliter et améliorer la planification d'une intervention en chirurgie orthognatique. Cette composante de la chirurgie maxillofaciale a pour problématique la correction de dysharmonies dento-maxillofaciales par le repositionnement des mâchoires supérieure et inférieure. Une première partie est consacrée à la définition d'un protocole complet de chirurgie orthognatique assistée par ordinateur. En particulier, un nouvel outil de céphalométrie tridimensionnelle est présenté pour l'étude des anomalies du squelette facial. La contribution principale de ce travail porte ensuite sur l'évaluation des modifications de la morphologie du patient induites par des repositionnements osseux. Pour cela, un modèle biomécanique des tissus mous de la face a été développé, basé sur la méthode des éléments finis. Le premier problème abordé est la construction d'un modèle spécifique à chaque patient. Les contraintes rencontrées en pratique clinique, notamment de temps, rendent inadaptée l'utilisation des méthodes traditionnelles de génération de maillages. Une nouvelle approche a donc été proposée. Elle consiste à adapter un maillage générique de la face à la morphologie de chaque patient, l'aide d'un algorithme de mise en correspondance élastique et de données d'imagerie scanner pré-opératoires. Cette méthode a été évaluée sur sept patients, en étudiant de manière qualitative et quantitative l'adéquation du modèle généré à la morphologie réelle du patient. Le modèle d'un patient est ensuite utilisé pour simuler les déformations des tissus mous consécutives à des repositionnements osseux. Des hypothèses simples, loi de comportement linéaire et petites déformations, sont retenues dans un premier temps pour caractériser les tissus mous. Un protocole d'évaluation, basé sur des données d'imagerie post-opératoire, permet de reproduire avec précision les gestes effectivement réalisés pendant une intervention, puis de comparer quantitativement les simulations biomécaniques avec la morphologie post-opératoire réelle du patient. Ce protocole d'évaluation a été appliqué à deux cas cliniques, et les premières conclusions sur la qualité des simulations sont présentées.