identifier: El Abed, Y. (2017). Modélisation et simulation de la trajectoire des patients en radiothérapie  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Modélisation et Simulation de la trajectoire des patients en radiothérapie - De nombreux traitements existent afin de lutter contre le cancer. Parmi les plus répandus, nous notons la chirurgie, la chimiothérapie et la radiothérapie. Cette dernière est considérée comme une référence étant donné que près de la moitié des patients ont passé par une phase de radiothérapie seule ou combinée durant leur régime de traitement. Le processus complet associé à cette technique implique une organisation complexe du point de vue des ressources et des flux des patients. Les réels enjeux d'une optimisation de ces processus sont multiples. En ce qui concerne les patients, l'enjeu majeur concerne la qualité des soins qui leur sont apportés et la minimisation des délais d'attente. En effet, diminuer ou éliminer les temps d'attente avant l'accès aux traitements signifie une meilleure qualité de service rendu au patient, mais également, une augmentation du nombre des patients pris en charge, et par conséquent, un accroissement de l'efficience de fonctionnement du centre de traitement. Depuis quelques dizaines d'années, les méthodes de recherche opérationnelle et les techniques de l'ingénierie industrielle font leur apparition dans le milieu hospitalier afin d'améliorer la performance de ces systèmes opératoires. En particulier, la radiothérapie présente une problématique intéressante liée à la conjonction de la rareté des ressources et à la complexité de la synchronisation de la trajectoire des soins. La résolution de ces problèmes nécessite une adoption de bonnes pratiques assurant d'une part, l'optimisation de la trajectoire des patients et d'autre part l'utilisation efficace des ressources disponibles. Dans ce contexte, les cliniques se sont retournées vers les outils d'aide à la décision. Parmi ces derniers, notons un outil permettant de modéliser toute la trajectoire des patients et comparer plusieurs politiques de gestion tout en étudiant leur impact sur la performance globale du système. Nous abordons cette question en débutant par une revue de la littérature sur la modélisation, la simulation et la planification en radiothérapie. Bien que cette étude se révèle limitée dans le contexte du processus complet, plusieurs approches ont été élaborées afin de traiter des parties du processus. En outre, elles sont appliquées à un cas spécifique lié à un seul centre de traitement. Dans cette optique, vient l'idée de ce projet ayant comme objectif le développement d'un modèle de simulation générique. Dans la première partie de ce travail, confronté aux limites du cadre de modélisation utilisé jusqu'aujourd'hui, nous avons développé une modélisation originale de la trajectoire des patients permettant une représentation plus fidèle de la réalité au niveau des flux physiques des patients, des ressources, des tâches, etc. En particulier, un langage de modélisation de processus normalisé (BMPN) a été utilisé pour élaborer une cartographie permettant de mieux comprendre le parcours d'un patient et sa trajectoire. Dans la deuxième partie, cette cartographie a été reproduite avec le langage de programmation Java et implémenté dans le modèle de simulation afin de pouvoir évaluer plusieurs nouvelles stratégies de gestion. Le simulateur obtenu nous a permis de modéliser et simuler la trajectoire des patients ainsi que leurs interactions avec les ressources tout en conservant la qualité de représentation de la réalité. En outre, il a permis de constater et d'évaluer l'impact de plusieurs scénarios par rapport aux différents indicateurs de performance. Finalement, la simulation du système radio-oncologique nous a abouti à prévoir des recommandations que nous avons jugé fiable, après la phase de validation, assurant l'amélioration de la qualité des soins apportés aux patients par la diminution des délais de prise en charge et le respect des temps d'attentes prescrits par la grille de classification. Mots-Clés : Modélisation, simulation, radiothérapie, trajectoires, stratégies et modèles de planification, ressources  ABSTRACT: Modeling and simulation of patient trajectory in radiotherapy centers - In the fight against cancer, major path are surgery, chemotherapy and radiotherapy. Radiation therapy is recognized as a reference since more than 50% of the patients received radiation during their treatment regimen. The treatment process associated with this technique involves a complex organization as regards as resources and patient flows. Concerning radiotherapy centers, they need to reduce treatment cost and manage resources utilization while keeping better quality of service. Regarding patients, major concern is quality of the care they receive and improvement of waiting time. In fact, reducing or eliminating waiting time before access to treatment means better quality of service to the patient, but also an increase in the number of treated patients, and consequently in the efficiency of treatment. Since several decades, operational research methods and industrial management techniques have appeared in healthcare. In particular, radiotherapy care trajectories are interesting because of the combination of critical resources and multiples care activity repetition. The resolution of these problems requires the adoption of good practices ensuring on the one hand the optimization of the trajectory of patients and on the other hand the efficient use of available resources. In this context, clinics have turned to decision-making tools. Among these, a tool that can model the entire patient trajectory and compare several management policies while studying their impact on the overall performance. We address this issue by starting with a review of the literature on modeling, simulation and planning in radiotherapy. Although several promising approaches have been developed, literature in this filed is scare. In fact, the majority of study reviewed handle only some phases of the process. In addition, they are applied to a specific case related to a single treatment center. In this perspective that this project was born with the objective of developing a generic simulation model. In the first part, we have developed an original model of the trajectory of patients allowing more accurate representation of reality of the processes. In particular, a standardized process modeling language (BMPN) was used to develop a precise mapping to better understand a patient's trajectory. In the second part, this mapping was reproduced and implemented in Java in order to evaluate several new management strategies. The simulator that we developed allowed us to simulate the trajectory of patients as well as their interactions with resources. In addition, it was possible to observe and evaluate the impact of several scenarios in terms of the objectives of centers, quantified using appropriate indicators such as waiting time. Finally, using the knowledge accumulated during the simulation of different scenarios, we made recommendations ensuring the improvement of quality of care given to patients by reducing delays and maximizing the uses of existing resources. Keywords: Modeling, simulation, radiotherapy, trajectories, planning strategies, resources


identifier: Nyameogo, G. (2017). Développement d'un système de mesure et d'un modèle théorique préliminaire d'estimation du coefficient de diffusion de l'oxygène dans les matériaux poreux inertes gelés  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le drainage minier acide (DMA) représente un énorme défi pour l'industrie minière dans les zones tempérées mais aussi dans les régions plus froides. Les recouvrements jouant le rôle de barrière à l'oxygène (O2) sont l'une des méthodes utilisées pour contrôler la génération du DMA. La diffusion moléculaire est le mécanisme préférentiel pour le transport de l'oxygène dans les couvertures de sol à grain fin et dans les résidus. Cependant, la diffusion de l'oxygène est souvent négligée dans l'évaluation de l'efficacité des recouvrements pendant la période de gel hivernal. Cette diffusion moléculaire de O2 dans les matériaux gelés n'est pas encore très bien comprise. L'objectif de ce projet de recherche était de développer un dispositif pour réaliser des essais de diffusion d'oxygène sur des matériaux gelés et d'interpréter les résultats de quelques essais pour déterminer le coefficient de diffusion de l'oxygène (De). La possibilité d'inclure l'effet de la température (positive et négative) dans le modèle de Aachib et al. (2004) afin de prédire De pour des matériaux gelés a aussi été explorée de manière préliminaire. Très peu de travaux scientifiques ont été réalisés sur ces sujets, d'où l'originalité et la pertinence de cette étude. Pour réaliser ce projet, un dispositif de mesure du coefficient de diffusion de l'oxygène De dans les matériaux inertes non saturés gelés a été développé. Le choix a été porté sur une version modifiée du dispositif à chambre double conventionnel qui a été instrumenté pour faire des mesures de la température et de la teneur en eau volumique non gelée de l'échantillon testé, en plus de la concentration d'oxygène dans les deux différents réservoirs. Lors du développement de du dispositif et des procédures d'essais, plusieurs défis ont été relevés : choix des sondes appropriés; choix de l'épaisseur appropriée de l'échantillon, problématique de la concentration d'oxygène qui augmentait au fil du temps lorsque les cellules pourtant étanches étaient congelées, contrôle de température de l'échantillon gelé à la suite de sa purge à l'azote et du remplissage d'air du réservoir source en ouvrant le congélateur utilisé, définition des paramètres requis pour l'interprétation des résultats des essais sur matériaux gelés et pour le développement du modèle de prédiction de De pour des matériaux gelés. Cette modification du modèle de Aachib et al (2004) a été réalisée en exprimant tous les paramètres du modèle en fonction de la température  ABSTRACT: Acid mine drainage (AMD) is an important challenge for the mining industry in both temperate and colder areas. Oxygen (O2) barrier covers are one of the methods used to control the generation of AMD. Molecular diffusion is the preferred mechanism for the transport of oxygen in fine-grained soil covers and tailings. However, the diffusion of oxygen is often neglected in the assessment of the cover efficiency during the winter frost period. This molecular diffusion of O2 in frozen materials is not yet well understood. The objective of this research project was to develop a device for oxygen diffusion tests on frozen materials and to interpret the results of some tests to determine the effective oxygen diffusion coefficient (De). The possibility to include the effect of temperature (positive and negative) in the model of Aachib et al. (2004) to predict De for frozen materials has also been explored in a preliminarily manner. Very few scientific works have been done on these subjects, hence the originality and relevance of this study. To carry out this project, a device for measuring De in frozen unsaturated inert materials has been developed. The modified version of the conventional double chamber device used was instrumented to measure the temperature and unfrozen volumetric water content (UVWC) of the sample tested in addition to the oxygen concentration monitored in the two reservoirs of the cell. During the development of the device and test procedures, several challenges were identified and overcome: choice of appropriate probes, choice of the appropriate sample thickness, problem of oxygen concentration increasing over time when airtight cells were frozen, control of temperature of the frozen sample as a result of its nitrogen purge and air filling of the source reservoir by opening the freezer used, defining the parameters required for the interpretation of the tests results on frozen materials and for developing the prediction model of De for frozen materials. This modification of the model of Aachib et al (2004) was carried out by expressing all the model parameters as a function of the temperature.


identifier: Desfontaines, L. (2017). Problème d'horaire d'autobus avec dépôts multiples et modification contrôlée des heures de début des voyages  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le domaine des transports en commun, et en particulier des réseaux d'autobus, organiser efficacement et à moindres coûts le réseau est crucial. A partir d'une grille horaire donnant les heures de départ des trajets de chaque ligne, la compagnie d'autobus doit organiser sa flotte de véhicules et son personnel afin d'assurer le service de transport. Dans ce problème de planification opérationnelle, nous nous intéressons à la gestion des véhicules. Il s'agit de construire le parcours de chacun des véhicules afin de couvrir tous les trajets désirés, et cela au coût le plus faible possible. Dès lors que la compagnie entrepose ses véhicules dans des dépôts différents, ce problème est très difficile à résoudre (classe des problèmes NP-difficiles). On l'appelle problème d'horaire d'autobus avec dépôts multiples ou MDVSP pour l'anglais Multiple Depot Vehicle Scheduling Problem. Dans ce mémoire, on ajoute au MDVSP la possibilité de modifier les heures de départ initialement prévues. Cela laisse espérer une réduction du nombre d'autobus nécessaires et des trajets à vide moins coûteux pour la compagnie d'autobus. Pour modéliser ce problème, nous introduisons un graphe hybride entre les deux réseaux classiques de modélisation du MDVSP, à savoir le réseau de connexions et le réseau espacetemps. Le premier modélise explicitement par un arc chacune des connexions possibles entre deux trajets, le second représente chaque mouvement envisageable d'un autobus par un arc de déplacement dans le temps et éventuellement l'espace. Le réseau hybride introduit permet de conserver l'adaptabilité du premier type de réseau et le faible nombre d'arcs du second. En terme de temps de calcul, ce nouveau réseau donne de très bonnes performances pour résoudre le MDVSP classique et le MDVSP avec modification des horaires de départ. Pour résoudre les modèles ainsi construits, on décompose le modèle en deux entités, l'une construit des itinéraires d'autobus admissibles, l'autre choisit une combinaison de ces itinéraires de coût minimal. On peut ainsi résoudre la relaxation linéaire de notre problème par génération de colonnes et donc le problème en nombres entiers par un algorithme de Branch and Price. On décrit et implémente dans ce travail plusieurs méthodes pour accélérer cet algorithme, ralenti entre autres par la dégénérescence des problèmes. Les résultats obtenus montrent qu'on peut ainsi trouver des solutions quasi-optimales en des temps de calcul fortement réduits. Sur des exemples de 300 ou 500 voyages où l'on permet de modifier les horaires de plus ou moins 2 minutes, on voit qu'il est possible de réduire le nombre de véhicules nécessaires de 1 à 3 unités. On étudie également une instance réelle de plus de 1000 voyages que l'on résout en un peu plus d'une heure. Les réductions de coût pour la compagnie d'autobus peuvent donc être importantes. Cependant, modifier les heures de départ ne doit pas détériorer la qualité des horaires pour les utilisateurs du réseau. On voudrait, en particulier, garder des espacements égaux entre les trajets consécutifs d'une même ligne. Un équilibre doit donc être trouvé entre réduction des coûts pour la compagnie et qualité des horaires pour les passagers. Pour cela, on propose d'adopter une approche en deux phases : la première résout le MDVSP avec modification d'horaires, la seconde optimise les horaires de départ compatibles avec les itinéraires trouvés dans la première phase. Pour coordonner ces deux étapes, on tire profit du réseau hybride introduit précédemment. Les résultats montrent qu'on peut ainsi trouver de bons compromis entre le coût des itinéraires d'autobus et la qualité des horaires pour les passagers.  ABSTRACT: In the field of public transit, and especially of bus systems, it is crucial to organize the network efficiently and at a low cost. Given a timetable for each line, a bus company should determine the schedule of all its vehicles and drivers to provide the required service. In this operational planning problem, we will focus on vehicle scheduling. The aim is to build vehicle itineraries in order to cover all desired trips, and this at the lowest possible cost. If the company stores its buses in several depots, this problem is hard to solve (NP-hard problem). It is called Multiple Depot Vehicle Scheduling Problem, abbreviated by MDVSP hereafter. In this work, we add to the classical MDVSP the possibility of modifying the initial timetable, in other words, we allow trip shifting. This way, one can expect to reduce the required number of vehicles and to limit the cost of deadhead trips, i.e. trips without any passengers. To model this problem, we introduce a hybrid graph mixing the two classical graphs used to model MDVSP, namely the connection network and the time-space network. The first one represents explicitly every possible connection between two compatible trips, the second one models every possible bus movement through an arc representing a move in time and possibly in space. Our hybrid network keeps the modeling flexibility of the first type of network and the small number of arcs of the second one. In terms of computation time, this new network performs very well when solving both the classical MDVSP and the MDVSP with trip shifting. In order to solve this problem, we split the model into two entities, one builds feasible bus itineraries, the other chooses a combination of these itineraries at the lowest cost. The linear relaxation of our problem could then be solved using a column generation method and the integer problem thus using a Branch and Price algorithm. In this work, we describe and implement several ways to speed up this algorithm, which is otherwise slowed down by degeneracy (among other things). For our test instances, we manage to find solutions very close to optimality with a substantial reduction of computation time. On instances with 300 or 500 trips, where schedule shifts of up to two minutes were allowed, the bus company can save up to 3 vehicles. We studied also a real-life problem involving more than 1000 trips that we solved in a bit more than one hour. Costs reduction can therefore be very significant. However, shifting trips should not be detrimental to the timetable quality for passengers. In particular, we wish to keep constant headways, i.e. the time lapses between two consecutive departures on the same line. Hence, a tradeoff should be found between cost reduction for the bus company and timetable quality for passengers. To this end, we propose to adopt a two-step algorithm: the first step solves the MDVSP with trip shifting, the second one optimizes the departure schedules while taking into consideration the itineraries found in the first step. To coordinate these two phases, we take advantage of the previously introduced hybrid network. Computational results with this algorithm show that one can quickly find interesting tradeoffs between itineraries costs and timetable quality.


identifier: Germain, G. (2017). Une antenne hybride RF/shimming pour l'IRM de la moelle épinière  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La moelle épinière est sujette à un grand nombre de pathologies comme la sclérose en plaques, qui peuvent s'avérer handicapantes pour l'être humain. C'est pourquoi certains groupes de recherche ont développé de nouvelles techniques d'imagerie IRM dans le but de les dépister. Cependant, si l'imagerie de la moelle épinière reste moins avancée que celle du cerveau, c'est notamment à cause de l'inhomogénéité du champ magnétique dans cette région particulièrement prononcée par rapport à la zone du cerveau. Malheureusement, les techniques de shimming par harmoniques sphériques existantes ne permettent pas, aujourd'hui, de compenser de manière efficace ces variations de champ magnétique et sont peu adaptables à une mise à jour dynamique des courants de shimming dû à la forte inductance des boucles. Une alternative prometteuse a récemment été proposée pour l'imagerie du cerveau, utilisant une antenne hybride possédant les fonctions de réception du signal RF et de shimming.  Le but de ce projet a été d'optimiser et d'adapter ce concept afin de produire un prototype d'antenne de ce type, dédié à l'imagerie de la moelle épinière cervicale. La configuration des éléments de l'antenne a tout d'abord été optimisée et comparé au shimming par harmoniques sphériques grâce à un panel de simulation. Le prototype a ensuite été conçu et testé sur le banc d'essai afin d'ajuster certains paramètres nécessaires au bon fonctionnement de la partie réception de l'antenne. Enfin, l'antenne en réception seule et l'antenne hybride ont été testées en scanner 3 T de manière à comparer leurs performances en termes de RSB et à valider la génération de champ magnétique de shimming par la seconde.  En conclusion, malgré une perte de RSB après hybridation de l'antenne, ce projet démontre la capacité d'une telle antenne à procurer un shimming efficace de la région de la moelle épinière cervicale tout en proposant un niveau de RSB relativement élevé par rapport à une antenne commerciale.  ABSTRACT: A large number of pathologies, such as multiple sclerosis, is known to affect the spinal cord and can induce severe handicap if remained untreated. Therefore, several research group have focused their work on developing new MRI tools dedicated to the diagnosis of these pathologies. However, their performance in the spinal cord is still lagging compared to brain related techniques which is mainly due to the abundancy of spatial and temporal variations of the main magnetic field. Existing spherical harmonic shimming techniques do not provide adequate shimming in the spinal cord area and are challenging to use in dynamic shimming because of the high inductance of their systems. A promising alternative has been recently proposed using hybrid coils for RF reception/shimming in the brain.  This project aims at optimizing and adapting this concept for the spinal cord MRI and building a prototype. To this purpose, the coils configuration has been optimized and compared to spherical harmonic shimming via a simulation framework. Then, the prototype was built and tested on the bench to ensure its good behavior regarding RF reception. Finally, the coil before (RF reception only) and after modifications were tested in a 3 T scanner to compare its performance in terms of SNR and to validate the shimming functionality of the second.  To conclude, despite an SNR drop due to the modification of the coil, this project demonstrates the capability of the prototype to shim efficiently the cervical spinal cord region while yielding a higher SNR level compared to a commercial coil.


identifier: Elahipanah, N. (2017). Indirect Measurement of Inter-Particle Forces in a Gas-Solid Fluidized Bed at High Temperature with a Simple Approach  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le procédé de fluidisation est largement utilisé dans une multitude d'applications et de procédés chimiques et ceci grâce aux avantages qu'il procure tels qu'un traitement facile de la phase solide, une grande qualité de mélangeage des particules solides, un transfert de matière favorisé, une distribution uniforme de la température et une chute de pression réduite. Tous ces avantages rendent la fluidisation un grand concurrent aux réacteurs à lit fixe où tiennent lieu des procédés similaires. Cependant, l'hydrodynamique d'un tel système à hautes température n'est pas bien maitrisée et ceci dû à l'impact des niveaux élevés des forces inter particulaires (FIPs) dans des conditions extrêmes. En d'autres termes, la plupart des modèles et corrélations basées sur l'hydrodynamique et qui sont utilisées n'arrivent pas à prédire correctement les paramètres hydrodynamiques obtenus expérimentalement tels que la vitesse minimale de fluidisation Umf et la vitesse du régime critique Uc car ces modèles et corrélations négligent le rôle des forces inter particulaires à hautes températures. En d'autre part, la demande globale pousse les industriels à utiliser de plus en plus des matières premières de mauvaise qualité et qui ont une grande tendance à causer les phénomènes d'agglomération et de défluidisation à cause des niveaux élevés des forces inter particulaires. Ainsi, l'objectif de ce projet de recherche est d'introduire une nouvelle et simple méthode pour estimer les forces inter particulaires à hautes températures. Comme première étape, nous avons mis le point sur l'effet de la viscosité et la densité de gaz sur l'hydrodynamique du lit comme Umf, le comportement des bulles et Uc quand le rôle des forces inter particulaires à régir l'hydrodynamique du lit est perceptible. Ceci a été réalisé en mesurant Umf et Uc pour différentes températures allant de la température ambiante jusqu'à 650 ºC en utilisant l'air et l'argon comme différentes phases gazeuses et le FCC, les billes de verre, et du sable siliceux grossier et fin comme différentes phases solides. Ces dernières ont différents points de fusion et appartiennent à Geldart A ou B en considérant leur tailles et masse volumiques. Nous avons démontré que pour le sable siliceux fin et grossier l'effet de la température sur les valeurs de Umf et Uc et qui est liée directement à son effet direct sur les propriétés du gaz et le niveau des forces hydrodynamiques FHDs peut être estimé correctement par les corrélations basées sur l'hydrodynamique.  Cependant, nous avons trouvé que pour FCC et les billes de verre, les corrélations hydrodynamiques n'arrivent pas à prédire correctement les valeurs de Umf et Uc obtenues expérimentalement et ceci dû à l'effet significatif des forces inter particulaires. Nous avons aussi démontré que l'ordre de grandeur des forces inter particulaires peut être estimé en faisant la différence entre la valeur de la force de trainée calculée sur la base de Umf mesurée expérimentalement et la valeur de la force de trainée obtenue pour Umf estimée par des considérations purement hydrodynamiques pour une certaine température. Nous avons aussi validé notre estimation en mesurant la hauteur et l'aire sous le pic du graphe qui représente la chute de pression totale du lit en fonction de la vitesse superficielle du gaz pour les billes de verre et les particules FCC. Les résultats démontrent que les forces inter particulaires FIPs jouent un rôle plus important pour des particules qui ont un point de fusion plus bas en considérant la température de fonctionnement et cet effet peut être réduit en exerçant des forces hydrodynamiques plus élevées sur les particules, en l'occurrence, dans le cas de la fluidisation par l'argon. Nous avons aussi expliqué la variation de Uc en fonction de la température en soulignant l'effet de la température sur le comportement bouillonnant de lits de différents matériaux en considérant le ration FIPs/FHDs. Nous avons trouvé que la taille des bulles et la résistance de la phase d'émulsion à la rupture sont les paramètres principaux qui déterminent la vitesse de transition du gaz.  ABSTRACT: Fluidization process is being broadly used for numerous applications and chemical processes owing to the easy solids handling, high quality mixing of solids, promoted mass transfer, uniform temperature distribution and reduced pressure drop which makes it a promising competitor for similar processes using fixed bed reactors. However, the hydrodynamics of such a system at elevated temperatures is not well understood due to the impact of elevated levels of inter-particle forces (IPFs) at extreme conditions. In other words, most of the available hydrodynamic based models and correlations fail to predict the experimentally obtained hydrodynamic parameters such as Umf and Uc due to neglecting the important role of IPFs at high temperatures. On the other hand, the global demand pushes the industries to increasingly use low quality feedstocks which have higher tendency toward agglomeration and defluidization because of an increased level of IPFs.  Thus, in this research our focus is on introducing a new and simple method of estimation of IPFs at high temperature. As a first step, we highlighted the influence of gas viscosity and density on the bed hydrodynamics such as Umf, bubble behavior and Uc when the role of IPFs in governing the bed hydrodynamics was not discernible.  We did so by measuring Umf and Uc at different temperatures from ambient to 650 ºC using air and argon for FCC (86µm), glass beads (71µm), fine (226µm) and coarse silica sand (820µm) particles with different melting points belonging to Geldart group A and B considering their size and density. We showed that for coarse and fine silica sand particles the value of Umf and Uc change by temperature depending on its effect on the gas properties and the magnuitude of HDFs and this trend can be well predicted by the hydrodynamic based correlations. However, we found that for glass beads and FCC particles the experimentally measured Umf and Uc can not be well predicted by the hydrodynamic based correlations due to the significant effect of IPFs. We also showed that by subtracting the values of drag force calculated at the experimentally measured Umf and the one obtained at predicted Umf by purely hydrodynamic considerations we can estimate the magnitude of IPF that is present in the system at a certain temperature. We also validated our estimation by measuring the height and the area of the peak in the plot of total bed pressure drop against increasing superficial gas velocity for glass beads and FCC particles. The results showed that IPFs plays a more important role for particles with lower melting point considering the operating temperature and this effect would be reduced when higher drag force is applied on the particles i.e. in the case of fluidization with argon. We also explained the variation of Uc by temperature by explaining the effect of temperature on the bubbling behaviour of beds of different materials considering the ratio of IPFs/HDFs. We found the bubble size and the resistance of the emulsion phase against break-up to be the main parameters to define the transition gas velocity.


identifier: Murschel, F. (2017). Développement de stratégies d'immobilisation du facteur de croissance endothélial vasculaire : contrôle de l'activité biologique pour le génie tissulaire  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un effort majeur de recherche est aujourd'hui porté sur le développement de nouvelles stratégies à base de matériaux synthétiques pour réparer ou remplacer des tissus endommagés, notamment pour le traitement des maladies cardiovasculaires – première cause de mortalité à l'échelle mondiale. Le défi majeur dans ce domaine est l'établissement d'un réseau vasculaire fonctionnel pour alimenter les cellules en oxygène et nutriments et éliminer les déchets métaboliques, condition sine qua non d'un tissu viable. Le réseau vasculaire chez l'Homme naît en effet d'un processus hautement complexe et finement régulé, et est sans cesse remodelé : sa conception in vitro en est d'autant plus ardue. Parmi les nombreux effecteurs biologiques responsables de l'angiogenèse, le facteur de croissance endothélial vasculaire (VEGF) apparaît comme un acteur primordial. Il est en effet le principal médiateur du comportement des cellules endothéliales – ces dernières étant au coeur du développement primaire des vaisseaux et assurant le rôle critique d'interface entre le tissu et le sang. Des études de longue haleine menées sur l'angiogenèse ont ainsi mis en évidence l'ubiquité de VEGF dans ces processus, une présence incontournable mais surtout contrôlée, en termes de concentration, de présentation et même de forme.  Afin de permettre au génie tissulaire de progresser, une hypothèse biologique a été formulée dans le cadre de cette thèse : le développement de l'angiogenèse thérapeutique requiert l'imitation des processus physiologiques pour contrôler la présentation de VEGF, en particulier vis-à-vis de sa stabilité sur le support et de sa capacité à être internalisé. La validation de cette hypothèse nécessite quant à elle une plateforme adéquate pour mener les essais, et parmi les technologies existantes, notre attention s'est portée sur les interactions superhélices, soit un système moléculaire d'attache très documenté qui comprend deux peptides complémentaires capables de s'auto-assembler. Une seconde hypothèse, d'ordre technologique cette fois, a ainsi été formulée : le système superhélice permet d'immobiliser VEGF sur un substrat solide et de contrôler sa présentation et sa stabilité. Plus précisément, un objectif a été défini quant à la gamme d'affinités à couvrir, soit entre 107 et 1011 M-1.  Nous avons, dans un premier temps, validé l'emploi d'un premier système superhélice basé sur les peptides (EVSALEK)5 et (KVSALKE) 5, ou E5 et K5, pour immobiliser VEGF. Pour ce faire, une chimère E5-VEGF a été produite et caractérisée : son immobilisation a été confirmée par test ELISA et son activité biologique démontrée via la promotion de la survie de cellules endothéliales modèles. Ces résultats, rapportés dans le Chapitre 4, constituent notre premier manuscrit, publié dans le journal Acta Biomaterialia. De façon intéressante, l'immobilisation d'E5-VEGF sur des surfaces présentant le peptide complémentaire K5 a été confirmée au moyen de tests avec un biocapteur à résonance plasmonique de surface (SPR). Au cours de ces derniers, la stabilité de la protéine immobilisée est apparue très haute : aucune dissociation du complexe n'a été observée, et il n'a pas été possible de régénérer les surfaces.  La régulation que nous souhaitions mettre en place touche majoritairement à la libération contrôlée du facteur de croissance, c'est pourquoi d'autres couples de peptides formant des interactions superhélices ont été étudiés. En collaboration avec le professeur Hodges de l'Université du Colorado, trois peptides analogues du peptide K5 ont été conçus et caractérisés finement avec un biocapteur SPR. La capacité des trois nouveaux peptides à capturer E5-VEGF a été confirmée, et les substitutions de résidus – choisies pour déstabiliser le coeur hydrophobe des superhélices – ont permis de diminuer la stabilité de la protéine immobilisée. Plusieurs essais menés avec d'autres molécules porteuses d'une ou plusieurs étiquettes E5 ont permis d'identifier les couples couvrant la gamme d'affinités voulue. Ces résultats constituent le second manuscrit, présenté dans le Chapitre 5 et publié dans le journal Biomacromolecules.  Les essais SPR et les tests ELISA réalisés ont mené à une découverte fortuite : la protéine chimère E5-VEGF présente une propension forte à s'adsorber sur certains substrats ne présentant pas le peptide complémentaire K5. Une étude approfondie, présentée dans le Chapitre 6 et publiée dans le journal Biomacromolecules, a permis de déterminer les forces sous-jacentes à ce phénomène. La caractérisation et l'optimisation de cette adsorption spécifique par l'étiquette E5 a de plus rendu possible un contrôle relatif de la vitesse de la libération contrôlée, sans affecter la bioactivité du facteur de croissance (démontrée dans des essais de prolifération de cellules endothéliales). Il en ressort une nouvelle stratégie d'immobilisation de VEGF, simplifiée, accélérée et relativement stable, qui présente un fort potentiel pour de nombreuses applications en médecine régénératrice.  Les travaux présentés dans les manuscrits associés à cette thèse valident l'hypothèse technologique formulée sur les interactions superhélices. En outre, de nombreux résultats complémentaires, réalisés en collaboration directe avec plusieurs collègues au sein du groupe de recherche, ont permis de développer une plateforme qui permet d'immobiliser E5-VEGF avec un contrôle fin, tant sur la densité surfacique que sur la spécificité du greffage par interactions superhélices (l'adsorption directe étant fortement inhibée). Ce substrat adéquat pourra être mis à profit pour étudier la réponse de cellules endothéliales à E5-VEGF immobilisé via les 4 peptides analogues – un plan d'expériences détaillé est suggéré dans le Chapitre 7 de cette thèse. Succinctement, la validation de l'hypothèse biologique nécessitera de caractériser l'internalisation de VEGF et de ses récepteurs et de l'associer à la réponse cellulaire – tant au niveau des voies de signalisation activées que vis-à-vis du comportement macroscopique (migratoire, prolifératif, etc.). En outre, les technologies développées pourront être mises à profit pour d'autres applications dans le domaine de la médecine régénératrice et du génie tissulaire, ou en combinaison avec d'autres facteurs de croissances et biomolécules, pour l'encapsulation de médicaments ou encore la thérapie génique.  ABSTRACT: In order to repair or replace damaged tissues, notably for the treatment of cardiovascular diseases – the world-leading cause of death, great effort is currently spent on the development of new strategies that are based on synthetic materials. The major challenge in that endeavour is to establish a functional vasculature that provides oxygen and nutrients to the cells while removing metabolic waste. Although this is a prerequisite to obtain a sustainable tissue, its conception in vitro has proven to be arduous. The human vascular network indeed expands via a highly complex and finely tuned process, after which it keeps being remodeled. Endothelial cells play a major role in this expansion: they drive blood vessel formation and ensure the integrity of the blood-tissue interface. Their behaviour being predominantly controlled by the vascular endothelial growth factor (VEGF), this growth factor stands out as the main biological effector of angiogenesis. Numerous studies of the angiogenic process have demonstrated the ubiquitous role of VEGF as well as the importance of its spatiotemporal control, be it in terms of concentration, presentation or form.  So as to foster advances in tissue engineering, we first formulated a biological hypothesis: the physiological processes that regulate VEGF presentation need to be mimicked for therapeutic angiogenesis to advance, in particular regarding the stability of immobilized VEGF and its capacity to be internalized. The validation of this hypothesis requires the development of an adequate test platform and, among existing technologies, our attention was drawn to coiled-coil interactions. The coiled-coil motif is indeed a well-documented molecular structure obtained by auto-assembly of two complementary peptides. A second hypothesis, of technological nature, was thus formulated: coiled-coil interactions enable the surface immobilization of VEGF that can be controlled in terms of presentation and stability. More precisely, an affinity range spanning from 107 to 1011 M-1, was determined to be of prime interest.  To begin with, we have chosen a first coiled-coil motif based on the interaction between the two peptides (EVSALEK)5 and (KVSALKE) 5, or E5 et K5, and confirmed that it enabled VEGF immobilization. This was achieved by producing an E5-tagged VEGF chimera (E5-VEGF) and characterizing its grafting by immunosorbent assays (ELISA). Its biological activity was also demonstrated via model endothelial cell survival assays. The results, which are presented in Chapitre 4, were compiled into the first manuscript, published in Acta Biomaterialia. It is here worth noticing that E5-VEGF capture on K5-decorated surfaces was further supported using a surface plasmon resonance (SPR)-based biosensor and was shown to be highly stable: there was no detectable dissociation of the complex and the surfaces could not be regenerated.  The level of stability we sought for VEGF being closer to controlled release than immutable immobilization, new coiled-coil-forming peptide couples were developed. In partnership with Prof. Hodges at University of Colorado, three peptides were designed as analogues to the peptide K5 and thoroughly characterized using an SPR-based biosensor. Their ability to capture E5-VEGF was confirmed. Moreover, the residue substitutions, which were designed to destabilize the hydrophobic core of the coiled-coil, successfully diminished the stability of immobilized VEGF. A series of assays were carried out with other biomolecules bearing one or more E5 tags, and several peptide couples were identified that enable the coverage of the desired affinity range. The results comprise the second manuscript of the thesis that is presented in Chapitre 5 and was published in Biomacromolecules.  The various ELISA and SPR assays led to a fortuitous discovery: the chimeric E5-VEGF protein presented a strong propensity to adsorb on certain substrates that were not decorated with the complementary K5. The driving forces of the E5-tag-mediated adsorption process were thoroughly characterized, and the biological activity of adsorbed E5-VEGF was confirmed via endothelial cell proliferation assays. Moreover, a relative control on the release rate of the growth factor was achieved. The data are presented in Chapitre 6 and were compiled in an article that was published in Biomacromolecules. Altogether, this study has unveiled a new immobilization strategy for VEGF that is fast, readily implemented and quite stable, thus bearing strong potential for numerous applications in regenerative medicine.  The work that was performed during the thesis validates the technological hypothesis that we formulated regarding coiled-coil interactions. Moreover, an adequate test platform for the subsequent study – featuring fine control over surface density and capture specificity of E5-VEGF – was developed through a number of complementary experiments that were carried out in partnership with several colleagues. The substrate in question will prove beneficial to investigate endothelial cell response to E5-VEGF when immobilized via K5 and its three analogues. A detailed design of experiments is suggested in Chapitre 7 so as to validate the biological hypothesis of the thesis. Briefly, this will require a refined characterization of the internalization of VEGF and its cognate receptors, in correlation with cell response, regarding both the activation of signaling pathways and the macroscopic behaviour (migration, proliferation, etc.). Furthermore, the technological tools we here present could be utilized for a number of other applications in the tissue engineering and regenerative medicine field, be it in conjunction with other growth factors or biomolecules, for drug encapsulation or even gene therapy.


identifier: Barbry, A. (2017). Évaluation des opportunités économiques pour une unité de stockage de grande taille sur le marché de l'électricité de New-York  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les progrès réalisés au cours des dernières années dans le domaine du stockage d'électricité ont permis l'émergence de technologies plus performantes et moins coûteuses, en particulier dans le secteur des batteries. Ces progrès permettent aujourd'hui d'envisager le déploiement du stockage à grande échelle sur les réseaux électriques. Cette technologie pourrait bénéficier aux différents acteurs du système : elle pourrait faciliter, pour l'opérateur de réseau, la gestion de l'équilibre entre production et consommation ; elle pourrait permettre aux producteurs (en particulier d'énergies renouvelables) de lisser leur production ; ou encore permettre aux consommateurs de se couper du réseau en couplant production renouvelable décentralisée et stockage. L'utilisation qui est faite du stockage dépend donc de son propriétaire. Ce travail se concentre sur le cas d'une unité de stockage appartenant à un investisseur privé, souhaitant tirer profit de la volatilité des prix sur les marchés de l'électricité. Il s'agit plus précisément de profiter des périodes de faibles consommations (et de faibles prix) pour charger notre unité de stockage, puis de la décharger lors des périodes de fortes consommations (et de prix élevés). Cette utilisation du stockage est communément appelée arbitrage. Cependant, une telle utilisation du stockage pourrait avoir un impact significatif sur les prix de l'électricité : en réduisant l'écart de consommation entre les périodes de creux et les périodes de pic, l'écart de prix pourrait également diminuer. Le défi pour un investisseur disposant d'une unité de stockage de grande taille et souhaitant faire de l'arbitrage consiste donc à tenir compte de l'impact de ses opérations sur les prix de marché lors de sa prise de décision. L'objectif de ce travail est donc de proposer un modèle permettant à l'opérateur d'évaluer cet impact, et d'optimiser sa stratégie sur les marchés. Cette approche permettra par la même occasion d'apprécier la manière dont les prix sur les marchés de l'électricité pourraient évoluer à la suite de l'intégration massive du stockage. Pour cela, nous avons étudié les données historiques du marché de l'électricité de l'état de New-York, afin d'en modéliser la courbe d'offre, permettant d'établir une relation entre les quantités mises en jeu sur le marché et les prix. Des bornes inférieure et supérieure sur cette courbe sont également modélisées, en utilisant la méthode des regressions quantiles, pour tenir compte de sa variabilité. Ces bornes sont ensuite utilisées dans un modèle d'optimisation robuste permettant l'élaboration d'une stratégie optimale pour l'opérateur de stockage. Le modèle proposé permet de représenter l'aversion au risque d'un opérateur souhaitant se protéger de possibles pertes financières. Grâce à cette approche nouvelle, l'opérateur de stockage peut bénéficier de profits élevés tout en réduisant le risque d'encourir des pertes financières.  ABSTRACT: Over the last years, great progress have been achieved in the field of energy storage. They created more efficient and less costly technologies, raising the possibility of a large-scale deployment of energy storage. These technologies may benefit the different power system stakeholders. It may facilitate the power system operator's mission to guarantee the balance between the supply and the load, it may allow the renewable energy producers to smooth their output, or even enable the consumers to be independent from the network, using both local production and storage. Our work focuses on the case where the storage facility is owned by a private investor who seeks to benefit from the market price volatility. More specifically, the storage can be used in the following way: electricity can be purchased to charge the facility during the low demand (and low prices) periods, and electricity can be sold to discharge the facility during the high demand (and high prices) periods. This application is commonly referred to as arbitrage. However, these operations could have a significant impact on the market prices. Since it reduces the gap between the off-peak demand and the peak demand, it would also reduce the price gap. Hence, it raises a challenge for the operator of a large-scale energy storage facility wishing to do arbitrage. This operator has to take into account the impact of its operations on the market price when planning the storage operations. This work aims at developing a model to simultaneously assess this impact, and optimize the storage strategy. This approach will also allow to assess the evolution of market prices that would be provoked by the massive integration of energy storage. To this end, we model the supply curve from the New-York state electricity market based on historical data. It provides a relation between the quantity of electricity offered on the market and the price. Lower and upper bounds on this curve are also modeled, using the quantile regression methodology, to account for its variability. These bounds are then used as an input in a robust optimization model that aims at defining optimal strategies for the storage operator. The proposed model accounts for the risk-aversion of the operator, who seeks to be immunized against potential financial losses. This novel approach allows to reduce significantly the loss exposure for the storage operator, while maintaining reasonnably high expected profits.


identifier: Cobetto, N. (2017). Planification chirurgicale pour la correction 3D de la scoliose pédiatrique progressive à l'aide d'un dispositif sans fusion flexible  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique pédiatrique est une déformation de la colonne vertébrale affectant entre 2% et 3% de la population. Cette pathologie présente différentes caractéristiques dans les trois plans de l'espace : une déviation latérale des vertèbres dans le plan frontal, une modification des courbures dans le plan sagittal, pouvant parfois inclure une réduction des courbes physiologiques, et une rotation vertébrale dans le plan transverse, dont la conséquence peut être la génération d'une gibbosité du thorax. La Société de la recherche sur la scoliose (SRS) propose une classification en fonction de l'âge du diagnostic : scoliose infantile (0 à 3 ans), juvénile (4 à 10 ans) et adolescente (11 à 18 ans). Les causes à l'origine de l'apparition et de la progression des courbures scoliotiques sont encore méconnues. Certains facteurs, tels que le niveau de maturité squelettique et les caractéristiques de la courbure, ont été ciblés comme étant des indicateurs de progression de la courbure. Des facteurs biomécaniques peuvent aussi expliquer le caractère progressif de certaines scolioses, notamment par le biais de la loi de Hueter-Volkmann. Selon ce principe, les déformations scoliotiques ont comme conséquence l'application d'un chargement asymétrique sur les plaques de croissance épiphysaires des vertèbres, engendrant ainsi une croissance asymétrique des vertèbres. Ce principe de modulation de la croissance stipule qu'une augmentation de la compression inhibe la croissance osseuse tandis qu'une diminution de la compression comparativement à un chargement normal la stimule. Cette situation donne lieu à l'établissement d'un ''cercle vicieux'' de progression puisque les vertèbres affectées par la déformation sont soumises à des chargements asymétriques de plus en plus importants, contribuant à aggraver la déformation. Pour des patients atteints d'une déformation sévère (angle de Cobb > 45°), un traitement chirurgical impliquant une instrumentation avec fusion vertébrale peut être considéré. C'est une chirurgie invasive qui rigidifie de façon importante et permanente la colonne vertébrale. Dans le cas des patients pédiatriques présentant des courbes sévères et progressives, des dispositifs chirurgicaux sans fusion peuvent être utilisés afin d'éviter ou de retarder le recours à l'arthrodèse vertébrale. Ces dispositifs sans fusion utilisent le principe de modulation de la croissance (loi de Hueter-Volkmann) afin de rééquilibrer les chargements asymétriques appliqués sur les vertèbres dans le but de contrôler la progression de la courbure tout en permettant la croissance.  Il est estimé qu'environ 5% des patients atteints de scoliose devront subir un traitement chirurgical. Les différents traitements chirurgicaux sans fusion peuvent être catégorisés en trois approches distinctes : par distraction du côté concave de la courbure, par approche guidée pour la croissance et par compression du côté convexe de la courbure. Les approches par distraction et par guidage présentent des limitations impliquant des chirurgies répétitives, un taux de complications élevés (entre 58% et 100%) et la fusion de certains segments vertébraux. L'approche par compression est quant à elle une approche minimalement invasive n'impliquant aucune fusion du rachis. Un dispositif sans fusion relativement récent appelé attache du corps vertébral antérieur, « Tether » ou « Anterior Vertebral Body Tethering » implique d'instrumenter le côté convexe de la courbure à l'aide d'implants vertébraux et d'un câble souple. La mise en tension du câble permet d'appliquer des forces compressives sur la convexité de la courbure pour moduler la croissance des vertèbres tout en conservant la flexibilité du rachis. Bien que quelques études de cas cliniques montrent la possibilité de corriger progressivement la courbure scoliotique avec ce dispositif, il y a peu d'informations dans la littérature en ce qui concerne son comportement biomécanique. La planification chirurgicale demeure empirique en ce qui concerne l'identification des niveaux instrumentés, la position des implants vertébraux et la tension appliquée dans le câble. Les limitations associées au dispositif sans fusion Tether sont une progression ou une sur-correction (inversion du côté) de la courbure dans le temps, un manque de contrôle sur la correction 3D (plan sagittal et rotation axiale) et une possible dégénérescence du disque intervertébral si les forces compressives appliquées sont trop importantes.  L'objectif général de cette thèse était de compléter le développement puis de vérifier, valider et exploiter un modèle par éléments finis de scoliose pédiatrique intégrant la croissance comme plateforme pour la planification chirurgicale et la maximisation de la correction 3D à court et moyen termes du dispositif sans fusion Tether. Le premier objectif spécifique était de compléter le développement du modèle, vérifier et valider le modèle permettant de représenter le comportement biomécanique du rachis scoliotique pédiatrique, incluant la croissance et la progression de la courbure scoliotique, et permettant de simuler l'effet correctif immédiat et après deux ans du dispositif sans fusion Tether. Le deuxième objectif impliquait le développement et l'évaluation d'un outil numérique de planification chirurgicale pour le dispositif sans fusion Tether afin de maximiser la correction 3D à court et long-terme de la scoliose pédiatrique. Finalement, le troisième objectif visait à évaluer l'effet de différents paramètres chirurgicaux sur la correction 3D et la distribution des forces appliquées aux plaques de croissance épiphysaires et aux disques intervertébraux  Cette thèse visait à répondre à trois hypothèses. 1) Le modèle par éléments finis de scoliose pédiatrique intégrant la croissance et la modulation de croissance représente le comportement biomécanique de la colonne vertébrale pédiatrique et l'effet de modulation de croissance du dispositif sans fusion (± 5°: angles de Cobb, cyphose, lordose et rotation vertébrale, et ± 10% : longueur du rachis). 2) La simulation du positionnement du patient en décubitus latéral affecte de façon significative la correction intra- et postopératoire (p-value < 0.05, différence ≥ 5°). 3) Le positionnement des implants vertébraux et la tension dans le câble du dispositif sans fusion affecte de façon significative les forces correctives appliquées aux plaques de croissance épiphysaires, et donc affecte de façon significative la correction 3D à court et long-terme des courbures scoliotiques (p-value < 0.05, différence ≥ 5°).  Trois études ont été réalisées afin de répondre aux objectifs précédemment énoncés. En amont des trois études, un modèle par éléments finis ostéo-ligamentaire de la colonne vertébrale, de la cage thoracique et du bassin représentant le comportement biomécanique du rachis scoliotique pédiatrique déjà existant a été adapté afin de permettre une intégration cohérente de celui-ci en tant qu'outil numérique de planification chirurgicale. Ce modèle biomécanique spécifique au patient est obtenu à partir des radiographies bi-planaires et de la reconstruction 3D du squelette du patient. Les propriétés mécaniques des disques intervertébraux représentés dans le modèle peuvent être calibrées afin de personnaliser la flexibilité du modèle au patient. La croissance et le principe de modulation de croissance vertébrale ont été intégrés au modèle, suivant le principe de Hueter-Volkmann (l'augmentation/réduction des chargements en compression sur les plaques de croissance inhibe/stimule la croissance vertébrale). Ce modèle permet la simulation de la progression naturelle de la courbure sans instrumentation. Il permet aussi de simuler l'installation du dispositif Tether ainsi que la correction immédiate et à long-terme en considérant la modulation de croissance générée par le dispositif.  La première étude a permis d'exploiter le modèle pour développer et vérifier un outil de planification chirurgicale préopératoire permettant de prédire la correction 3D à court et à moyen-terme du dispositif Tether. Les résultats ont été vérifiés en utilisant 20 patients instrumentés avec le Tether, pour évaluer la correction postopératoire immédiate et après 2 ans de croissance. La comparaison entre les résultats simulés et les résultats cliniques a montré que les angles de Cobb simulés, les angles de cyphose thoracique et de lordose lombaire ainsi que la rotation axiale vertébrale étaient à moins de 4°, 5° et 4° respectivement de leur valeur réelle pour la correction postopératoire immédiate et à moins de 3°, 5° et 4° pour la correction postopératoire après deux ans. L'utilisation de l'outil de planification a permis de simuler différentes configurations du dispositif sans fusion pour un même patient (différentes tensions dans le câble et différents niveaux instrumentés). Lors de la comparaison des simulations des différentes configurations d'instrumentation pour chaque cas, les différences liées à la sélection du niveau instrumenté étaient de 7 ° en moyenne pour la correction postopératoire immédiate de l'angle Cobb thoracique et lombaire. Cette différence a été maintenue et augmentée suivant la simulation de la correction postopératoire après 2 ans, montrant une différence moyenne de 15 ° pour la correction des angles de Cobb. Pour certaines configurations simulées comprenant une ou deux vertèbres instrumentées sous la vertèbre limite inférieure de la courbe thoracique, celle-ci était inversée après 2 ans de croissance; de telles configurations ont été évidemment rejetées lors de la planification chirurgicale. L'exploitation du modèle par éléments finis a permis de fournir des recommandations au chirurgien afin de rationaliser la planification chirurgicale et d'identifier la configuration la plus adaptée pour chaque patient.  La deuxième étude visait à exploiter le modèle par éléments finis afin d'évaluer les contributions relatives du positionnement intra-opératoire en décubitus latéral du patient et de la tension appliquée dans le câble sur la correction intra- et postopératoire. Il a été trouvé que la majorité de la correction de la déformation provenait du positionnement intra-opératoire du patient, avant l'installation du dispositif. Les angles de Cobb thoracique et lombaire simulés en décubitus latéral ont été réduits en moyenne de 30% et 18% respectivement par rapport à la déformation initiale. Les angles de Cobb simulés en décubitus latéral étaient précis à ±2° par rapport aux indices réels mesurés sur la radiographie intra-opératoire. Le rôle principal du câble était plutôt d'appliquer une correction supplémentaire, montrant une augmentation de la correction de l'angle de Cobb thoracique entre 9% et 21 %, maintenue suite au retour à la position debout simulée. L'augmentation de la tension dans le câble a permis de modifier significativement la répartition des charges en compression sur les plaques de croissance épiphysaire. Bien qu'une faible diminution des charges en compression a été induite du côté concave de la plaque de croissance vertébrale apicale, une augmentation significative des charges en compression a été induite du côté convexe, démontrant la capacité du dispositif Tether à rétablir la symétrie de distribution des contraintes sur les plaques de croissance. Cela a permis d'établir une relation entre la tension appliquée dans le câble et la correction intra-opératoire nécessaire pour équilibrer les chargements exercés aux plaques de croissance. La dernière étude a permis la mise en place d'un plan d'expériences visant à identifier les paramètres d'instrumentation du dispositif Tether ayant un effet significatif sur la correction 3D de la scoliose. Trois positionnements de vis (centré, antérieur et triangulaire) ainsi que 2 niveaux de tension (150N et 200N) ont été testés sur 10 cas scoliotiques, résultant en la simulation de 6 configurations par patient. L'augmentation de la tension dans le câble et le positionnement des vis ont eu un impact significatif sur l'angle de Cobb thoracique immédiat et après 2 ans de croissance (entre 5°-11°, p<0,01). Le positionnement antérieur des vis a permis d'augmenter significativement la cyphose après 2 ans de croissance (entre 6°-8°, p=0,02). Le positionnement triangulaire des vis n'a pas eu d'impact significatif sur la rotation axiale apicale, mais a engendré une diminution significative de la cyphose après deux ans de croissance (entre 8°-10 °, p=0,001). Les chargements en compression sur les plaques de croissance ont été augmentées de 23% sur le côté convexe de la courbe, en fonction de l'augmentation de la tension dans le câble, tandis que le positionnement des vis a plutôt affecté la distribution antérieure/postérieure des charges. Les résultats de cette étude montrent donc que les paramètres d'instrumentation du dispositif Tether peuvent être ajustés pour améliorer significativement la correction de la déformation dans le plan frontal (correction de l'angle de Cobb) et dans le plan sagittal (correction de l'hypocyphose), mais pas de manière significative dans le plan transverse. Complémentairement à l'évaluation de l'effet des paramètres d'instrumentation sur la correction 3D de la déformation, deux positions fonctionnelles postopératoires ont été simulées sur les modèles de ces 10 patients instrumentées avec le Tether dans le but d'évaluer l'impact de deux positions (debout et couchée) sur les chargements exercés sur les plaques de croissance. La position couchée a affecté de manière significative les distributions des pressions sur la vertèbre apicale par rapport à la position debout avec 72% des contraintes en compression étaient réparties sur le côté convexe de la vertèbre apicale en position couchée comparativement à 55% en position debout. En considérant le fait que les enfants pourraient présenter un taux de croissance nocturne plus élevé que le jour, ces résultats suggèrent que la modulation de croissance pourrait être favorisée la nuit, lorsque le patient est en position couchée.  Le modèle est maintenant régulièrement employé au CHU Sainte-Justine afin de simuler préopératoirement chaque nouveau cas opéré. En plus des 20 patients présentés dans le cadre de la première étude, le modèle a été intégré en clinique et utilisé pour la planification chirurgicale de 45 patients supplémentaires. Plus récemment, l'outil a été intégré dans la salle d'opération, permettant ainsi la consultation peropératoire de la planification chirurgicale et des différentes configurations proposées. Pour un des cas opérés, la simulation numérique d'une configuration additionnelle a été réalisée durant la chirurgie afin de valider un choix d'instrumentation.  Dans le cadre de cette thèse, plusieurs avancées ont été accomplies, permettant ainsi de mieux comprendre le comportement biomécanique du dispositif Tether et d'intégrer ces connaissances, ainsi que l'utilisation de ce modèle biomécanique, dans le milieu clinique. Notamment, l'exploitation de ce modèle par éléments finis de scoliose pédiatrique a permis de rationnaliser la planification chirurgicale. L'utilité clinique d'un tel outil a donc été démontrée et les prochaines étapes liées à ce projet pourront impliquer la mise en place de stratégies pour adapter davantage l'utilisation du modèle comme outil de planification et de vérification peropératoire.  ABSTRACT: Pediatric idiopathic scoliosis is a spinal deformity affecting 2% to 3% of the population. This pathology presents different characteristics in all three planes including: a lateral deviation of vertebrae in the frontal plane, a modification of the curves in the sagittal plane (sometimes presented as a reduction of the physiological curves) and a vertebral rotation in the transverse plane whose consequence may include the generation of a rib hump. The Scoliosis Research Society (SRS) implemented a classification according to the age of the diagnosis: infantile scoliosis (0 to 3 years old), juvenile (4 to 10 years old) and adolescent (11 to 18 years old). Causes of scoliotic curvature apparition and progression are still unknown. Factors such as the skeletal maturity and curve characteristics may act as indicators to predict curve progression. Biomechanical factors, related to the Hueter-Volkmann's law, may also help to explain the scoliosis progressive nature. According to this principle, the scoliotic deformations result in the application of an asymmetric loading on vertebral epiphyseal growth plates, thus generating an asymmetrical growth of the vertebrae. This principle of growth modulation states that an increase in compression inhibits bone growth while a decrease in compression compared to normal loading stimulates it. This situation gives rise to a "vicious circle" of progression since vertebrae affected by the deformation are subjected to increasing asymmetric loadings, contributing to worsen the spinal deformation. For patients presenting a severe deformity (Cobb angle > 45°), a surgical treatment involving vertebral fusion may be considered. This type of surgery is invasive and implies an important and permanent spinal loss of flexibility. For pediatric patients presenting severe and progressive curves, fusionless surgical devices can be used to avoid or retard spinal arthrodesis. These fusionless devices use growth modulation, involving the Hueter-Volkmann law, to rebalance asymmetric loads applied on vertebrae, in order to control the curve progression while allowing growth.  About 5% of pediatric patients diagnosed with scoliosis will need a surgical treatment. Surgical fusionless treatments can be separated in three distinctive approaches: distraction of the concave side of the curve, growth guided approach and compression on the convex side of the curve. Distraction and guided approaches present important limitations involving repetitive surgeries, a high rate of complications, and the fusion of vertebral segments. Compressive fusionless devices imply a minimally invasive approach not involving spinal fusion. A recent fusionless device called anterior vertebral body tethering or "Tether" involves the instrumentation of the convex side of the curvature by using vertebral implants and a flexible cable. The cable tensioning applies compressive forces on the convexity of the curve to modulate vertebral growth while preserving spinal flexibility. Although some clinical case studies have shown the possibility to gradually correct the scoliotic curve, there is a lack of information in the literature regarding the biomechanical behavior of the Tether. The surgical planning remains empirical regarding the identification of instrumented levels, the vertebral implants position and the tension applied in the cable. Limitations associated with the Tether are a progression or an over-correction (inversion of the side) of the curve over time, a lack of control on the 3D correction (sagittal plane and axial rotation) and a possible intervertebral disc degeneration if the applied compressive forces are too high.  The general objective of this thesis was to further develop, verify, validate and exploit a finite element model of pediatric scoliosis integrating growth as a platform for surgical planning to maximize the short- and long-term 3D correction of the Tether. The first specific objective was to complete the development, to verify and to validate a numerical model representing the pediatric scoliotic spine biomechanical behavior, including the growth and the progression of the scoliotic curvature, as well as to simulate the immediate and after two years post-operative corrective effect the Tether. The second objective was to develop and assess a numerical surgical planning tool for fusionless devices to maximizing short- and long-term (2 years) 3D spinal correction of pediatric scoliosis. Finally, the third objective was to asses the effects of different surgical parameters on the 3D correction and forces distribution on the growth plates and intervertebral discs.  This thesis sought to answer three hypotheses. 1) The developed finite element model of pediatric scoliosis integrating growth and growth modulation represents the biomechanical behavior of the pediatric spine and the growth modulation effect of fusionless devices (within ±5°: Cobb angles, kyphosis, lordosis and vertebral rotation, and ± 10%: of the spine length). 2) The simulated lateral decubitus patient positioning significantly impacts the intra- and post-operative correction (p-value <0.05, difference ≥ 5 °). 3) Intraoperative implants positioning and cable tensioning significantly impact the corrective forces applied to vertebral growth plates, and thus significantly impact the short- and long-term 3D correction of scoliotic curves (p-value<0.05, difference ≥ 5°).  Three studies have been realized to meet the previously mentioned objectives. First, an osteoligamentous finite element model of the spine, rib-cage and pelvis representing the biomechanical behavior of the pediatric spine was developed. This patient-specific biomechanical model is obtained using bi-planar radiographs and the 3D reconstruction of the patient's skeleton. The mechanical properties of the intervertebral discs represented in the model can be calibrated to personalize the model flexibility to the patient. The growth and vertebral growth modulation have been integrated into the model, following the Hueter-Volkmann principle (the increase/reduction of compressive load on growth plates inhibits/stimulates vertebral growth). This model allows the simulation of the scoliotic curve natural progression. It also allows the simulation of the Tether installation, as well as the immediate and long-term correction generated with growth modulation.  The first study exploited the model to develop and verify a preoperative surgical planning tool used to predict the short- and long-term 3D correction of anterior vertebral body tethering. Results were verified using 20 patients, for both the immediate and after 2 years post-operative correction. The comparison between simulated and clinical results showed that simulated Cobb angles, thoracic kyphosis and lumbar lordosis, as well as vertebral axial rotation were within 4°, 5° and 4° respectively compared to the actual post-operative correction and within 3°, 5° and 4° compared to actual post-operative correction after two years. Using the surgical planning tool, it was possible to simulate different configurations of anterior vertebral body tethering for the same patient (different tensions in the cable and different instrumented levels). When comparing the simulations from the different instrumentation configurations for each case, the differences related to the selection of the instrumented level were of 7° on average for the thoracic and lumbar immediate post-operative Cobb angle correction. This difference was maintained and increased after 2 years post-operative simulation, showing an average difference of 15° for the Cobb angles correction. In some simulated configurations that included 1 or 2 instrumented vertebrae below the thoracic curve inferior end vertebra, the thoracic curve was inverted after 2 years; such configurations were obviously rejected. The use of the finite element model allowed providing recommendations to the surgeon in order to rationalize the surgical planning and identify the most adapted configuration for each patient.  The second study aimed to exploit the finite element model in order to evaluate the relative contributions of the lateral decubitus intraoperative patient positioning and the tension applied in the cable on intra- and post-operative correction. It was found that the majority of the curve correction was generated by the patient's intra-operative positioning prior to the Tether installation. The simulated thoracic and lumbar Cobb angles in the lateral decubitus positioning were reduced on average by 30% and 18% respectively, when compared to the presenting deformation. Simulated lateral decubitus Cobb angles were within ± 2° when compared to actual indices measured on intraoperative radiography. The main role of the cable was rather to apply an additional correction, showing an increase in the thoracic Cobb angle correction between 9% and 21%, which was maintained following the return to the simulated standing position. Increases in cable tensioning also induced a modification of stress distribution on epiphyseal growth plates. Though the increase of cable tensioning solely induced a slight stress decrease on the apical vertebral growth plate's concave side, a significant compressive stress increase was computed on the convex side, demonstrating the Tether ability to restore vertebral loading symmetry, in a way to generate sufficient growth modulation. A relationship was established between the tension applied in the cable and the intra-operative correction needed to postoperatively balance stresses applied on growth plates.  The last study allowed the implementation of a design of experiment study to identify the instrumentation parameters of anterior vertebral body tethering significantly affecting the 3D correction. Three screw positions (centered, anterior and triangular) as well as two tensioning values (150N and 200N) were tested on 10 scoliotic cases, resulting in the simulation of 6 configurations per patient. The increase in cable tensioning and the different screws positioning had a significant impact on the immediate and after 2 years of growth thoracic Cobb angle correction (between 5°-11°, p<0.01). The anterior screw positioning significantly increased kyphosis after 2 years of growth (between 6°-8°, p=0.02). The triangular screw positioning did not have a significant impact on axial apical rotation, but resulted in a significant decrease in kyphosis after 2 years of growth (between 8°-10°, p=0.001). Compressive loads on growth plates were increased by 23% on the convex side of the curve with the increased in cable tensioning, whereas the screws positioning rather affected the anterior/posterior load distribution. Results of this study showed that instrumentation parameters can be adjusted to significantly improve the correction of the spinal deformation in the frontal plane (Cobb angle correction) and in the sagittal plane (hypokyphosis correction). A less significant effect was shown regarding the axial rotation correction, although the device still allowed to stop the progression in the transverse plane. Additionally to this instrumentation parameters effect evaluation, two post-operative functional positions were simulated following the Tether instrumentation to evaluate the impact of two positions (standing and supine) on stresses exerted on growth plates. The supine position significantly affected the stress distribution on the apical vertebra compared to the standing position (72% of compressive stresses were distributed on the convex side of the apical vertebra in the supine position compared to 55% in the standing position). Regarding the impact of patient positioning on growth plate stresses, it was shown that the supine position generated a transfer of the compressive loads to the convex side of the curve. Considering the fact that children may have a higher nocturnal growth rate, these results suggest that growth modulation may be emphases at night, when the patient is in a supine position.  The model is now regularly used at Sainte-Justine University Hospital Center to preoperatively simulate each new case instrumented with the Tether. In addition to the 20 patients presented in the first study, the model was clinically integrated and used for surgical planning for an additional 45 patients. More recently, the tool has been integrated into the operating room, allowing per-operative consultation of the surgical planning and the different proposed configurations. For one of the performed cases, the numerical simulation of an additional configuration was realized during the surgery, in order to validate a choice of instrumentation. Though this thesis, several advances have been made, thus allowing a better understanding of the anterior vertebral body tethering biomechanical behavior. In particular, the pediatric scoliosis finite element model exploitation helped to rationalize the surgical planning. The clinical utility of such a tool has been demonstrated and the next steps related to this project may involve the implementation of strategies to better adapt the use of the model as a tool for per-operative planning and verification.


identifier: Dupuis, S. (2017). Analyse biomécanique de la réductibilité de la scoliose idiopathique par rééducation posturale globale en physiothérapie  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique (SI) est une déformation tridimensionnelle (3D) du rachis évolutive et complexe sans cause exacte connue. La déformation crée une asymétrie de posture apparente qui peut affecter l'estime et la confiance en soi, limiter ou gêner la pratique de certaines activités et altérer la capacité respiratoire. Des 2-3 % de la population générale diagnostiquée avec une scoliose, 80 % des cas sont de type idiopathique et les cas évolutifs concernent majoritairement les jeunes filles en période de croissance. Le type de traitement prescrit est adapté selon la gravité de la déformation, qui se mesure selon l'angle de Cobb. Pour les scolioses légères (Cobb < 25°) les patients sont sous observation, alors que pour les scolioses modérées (Cobb 25° - 45°) le port du corset orthopédique peut être prescrit. Les exercices spécifiques à la scoliose en physiothérapie se présentent comme un traitement alternatif ou complémentaire à la prise en charge des scolioses légères et modérées. Finalement pour les scolioses sévères (Cobb > 45°) la chirurgie est préconisée.  La Rééducation posturale globale (RPG) est une approche de physiothérapie développée dans les années 80 en France pour traiter les affectations musculo-squelettiques, et fait partie des exercices spécifiques à la scoliose. Cette approche de traitement est basée sur la pratique de postures actives d'étirement et d'exercices d'intégration sensorimotrice. Les principaux objectifs sont de freiner la progression de la courbure, améliorer la posture et éliminer les douleurs au dos. En RPG l'évaluation posturale qui guidera la suite de la prise en charge se fait par la photographie générale, l'évaluation des rétractions musculaires et la ré-équilibration. L'étape de ré-équilibration vise à déterminer la capacité de correction de la déformation et à évaluer la rigidité du tronc. Les postures de correction manuelle et d'autocorrection pratiquées debout en font partie et permettent d'évaluer le potentiel de réductibilité de la courbure du patient. La correction manuelle permet de vérifier qualitativement la rigidité du tronc et de voir l'impact de cette correction sur la posture générale. L'autocorrection vise à évaluer la capacité du patient à intégrer les corrections en sollicitant la musculature du tronc.  Toutefois, la RPG appliquée à la scoliose est peu documentée dans la littérature scientifique. De plus, il n'y a pas d'outil permettant une évaluation quantitative de la rigidité du tronc du patient avec scoliose pendant la séance de traitement de physiothérapie. Un modèle par éléments finis (MEF) représentant les structures anatomiques du tronc humain a été précédemment développé pour simuler la correction immédiate de la scoliose obtenue dans le corset. Ce modèle a le potentiel de pouvoir être adapté et modifié pour simuler d'autres traitements conservateurs comme les manoeuvres de physiothérapie.  L'objectif de cette étude était d'évaluer, par le biais de la modélisation par éléments finis, la réductibilité de la correction manuelle et de l'autocorrection selon l'approche RPG en physiothérapie sur la correction de la courbure pour la scoliose idiopathique.  Une étude clinique avec 16 patients SI (2 SI juvénile et 14 SI de l'adolescence) a permis de mesurer expérimentalement les postures de ré-équilibration RPG. Pour chaque patient, le MEF a été reconstruit depuis la topographie de surface et les radiographies bi-planaires faibles doses en posture de référence debout. Des gants munis de capteurs de force portés par le thérapeute ont permis de mesurer la force exercée par ce dernier à l'interface main-tronc lors de la posture de correction manuelle. La correction manuelle a été simulée en reproduisant la force mesurée par la main droite par un vecteur force équivalent sur un noeud des côtes du modèle. Un indice de rigidité de la correction manuelle a été défini comme le rapport entre la force appliquée et la réduction de courbure résultante (forceΔ angle de Cobb). L'autocorrection a été mesurée par topographie de surface et radiographies afin d'être comparée avec les acquisitions en posture de référence. Elle a ensuite été simulée en fixant la position de la première vertèbre thoracique (T1) et des vertèbres apicales thoracique et lombaire à leur position autocorrigée telle que mesurée sur les radiographies sagittale et coronale en autocorrection. Un indice de rigidité de l'autocorrection a été défini comme la force de réaction à la vertèbre apicale thoracique divisée par la réduction de courbure en autocorrection (forceΔ angle de Cobb). L'analyse statistique a consisté en une ANOVA avec test post-hoc de Tukey pour comparer les angles de Cobb dans les différentes conditions testées et les corrélations ont été calculées avec le coefficient de Pearson.  Lors de la pratique de la correction manuelle, une force de correction moyenne de 31 ± 6 N [23 N – 55 N] a été mesurée sous la main droite du thérapeute. La simulation de cette posture a généré une correction moyenne de 26 % (p < 0.05) de la courbure thoracique avec une augmentation non cliniquement significative de la contre-courbure. La cyphose thoracique a augmenté d'en moyenne 3˚ (p < 0.05) alors que la lordose lombaire est demeurée inchangée. L'indice de rigidité en correction manuelle variait de 2 à 10 N par degré de correction. L'autocorrection réelle a réduit la courbure thoracique en moyenne de 33 % (p < 0.05) sans aggraver la contre-courbure lombaire, alors que les courbures du plan sagittal ont été réduites d'en moyenne 6˚ pour la cyphose et 5˚ pour la lordose (p < 0.05). Une corrélation forte a été obtenue entre l'autocorrection réelle et simulée (r = 0.9), bien que la simulation de l'autocorrection ait tendance à sous-évaluer la correction réelle obtenue d'en moyenne 3˚ (p < 0.05). La force de réaction moyenne à la vertèbre apicale thoracique était de 45 N, résultant en un indice de rigidité allant de 0 à 21 N par degré de correction. Il n'y avait pas de corrélation entre la correction manuelle du thérapeute et l'autocorrection exercée par le patient.  Le rapport entre la force appliquée et la réduction de courbure thoracique obtenue en correction manuelle permet de définir un indice de rigidité définissant un classement relatif de la souplesse des troncs des patients. L'indice de rigidité en autocorrection informe sur la capacité du patient à réduire de lui-même sa courbure. L'absence de corrélation entre les corrections des deux postures suggère des mécanismes de correction différents, soit une correction passive (correction manuelle) et active par sollicitation musculaire (autocorrection).  Comme pour tout modèle de calcul, le MEF est une simplification de la réalité permettant de tester l'effet de paramètres contrôlés, et présente donc certaines limites. Comme condition limite l'orientation du bassin était fixée dans l'espace et une position prédéterminée de T1 devait être établie dans le plan transverse. La simulation de la correction manuelle n'a pu être vérifiée, car il était éthiquement impossible de prendre une radiographie dans cette posture, mais l'exploitation des topographies de surface permettrait éventuellement une première vérification. La rotation vertébrale n'a pas été mesurée dans cette étude ni implémentée dans la simulation. Cette modélisation présente la force générale permettant de maintenir la posture de correction manuelle et d'autocorrection; les différentes combinaisons de recrutement musculaire pour conserver ces postures ne sont pas représentées explicitement dans le modèle. Finalement, le nombre limité de patients n'a pas permis de distinguer l'effet du traitement prescrit (corset, physiothérapie en cours ou passé) sur les réductions de courbures mesurées et simulées dans l'une ou l'autre des postures.  Cette étude est dans les premières à mesurer les forces de correction des mains du physiothérapeute lors d'un traitement RPG de la scoliose et a permis de calculer un indice de rigidité du tronc. Plus de travaux sont nécessaires pour compléter la validation complète du modèle pour simuler la correction manuelle et l'autocorrection. Cela permettrait à terme de quantifier la rigidité du tronc sans l'entremise de tests de flexibilité ionisants. De ce fait, le développement d'un indice de rigidité pour quantifier la résistance du tronc à la correction permettrait de faciliter la planification et le suivi du traitement de physiothérapie. De plus, l'évaluation du potentiel d'autocorrection trouve sa pertinence pour déterminer l'efficacité du traitement au niveau de l'intégration de la posture corrigée. La poursuite des recherches portant sur la biomécanique des mécanismes de correction en RPG permettrait de supporter la contribution de cette approche au traitement.  ABSTRACT: Idiopathic scoliosis (IS) is a complex and evolutive three-dimensional (SD) deformation of the spine of unknown cause. It leads to a visible postural asymmetry, which may affect self-esteem and self-confidence, limit recreational activities and impact respiratory capacity. Up to 3 % of the general population suffers from a form of scoliosis; 80 % of the scoliosis cases are idiopathic and the evolutive cases affect primarily young girls during their growth period. The severity of the deformation, which is measured using the Cobb angle, is used to adapt the prescribed treatment. Patients diagnosed with mild scoliosis (Cobb < 25°) are kept under observation while orthopaedic bracing may be prescribed for moderate scoliosis (25° - 45°). Physiotherapy specific scoliosis exercises are considered an alternative or complementary treatment to manage mild to moderate scoliosis. Surgery is recommended for severe deformations (Cobb > 45°).  Global postural re-education (GPR) is a physiotherapy approach developed in the 80's in France to treat musculoskeletal disorders, and is part of the specific exercises for scoliosis. This treatment approach is based on active stretching postures and task-oriented exercises. Main treatment objectives are to decrease curve progression, improve posture and eliminate back pain. The postural evaluation in GPR to orient the choice of exercises is based on three steps: general photography, muscular retraction evaluation and re-equilibration. The goal of re-equilibration is to determine the correction capacity and trunk stiffness. More specifically, stand-up manual correction and self-correction postures aim to evaluate patient curve reducibility potential. Manual correction aims to qualitatively verify trunk stiffness and to evaluate the impact of this correction on the overall posture. Self-correction aims to evaluate patient's ability to integrate the corrections by soliciting the muscles of the trunk.  GPR applied to scoliosis is poorly documented in scientific literature. To our knowledge, there currently is no tool developed to quantitatively measure trunk stiffness during a physiotherapy treatment for scoliosis.  A finite element model (FEM) representing the human trunk anatomical structures was previously developed to simulate immediate scoliosis correction in bracing. This model has the potential to be adapted and modified to simulate other conservative treatments such as physiotherapy manoeuvers. The objective of this study was to evaluate, using finite elements modeling, the curve reducibility of manual correction and self-correction of GPR physiotherapy approach in idiopathic scoliosis.  A clinical study with 16 patients presenting with IS (2 juvenile IS and 14 adolescent IS) allowed to experimentally measure GPR re-equilibration postures. For each patient, a FEM was built from surface topography and biplanar low-dose radiographs of a standing reference posture. Gloves equipped with force sensors worn by the therapist allowed to measure the force applied at the hand-torso interface during manual correction. The manual correction was then simulated by reproducing the force measured under the right hand with an equivalent force vector on a node of the ribs in the FEM. A stiffness index was defined as the ratio between the force applied at thoracic apex over the thoracic Cobb angle reduction (forceΔ Cobb angle). In order to be compared to the standing reference posture, the self-correction was clinically measured through surface topography and biplannar radiographs. To simulate the self-correction, the positions of the first thoracic vertebra (T1) and the thoracic and lumbar apical vertebrae were imposed as measured on the self-corrected coronal and sagittal radiographs. The self-correction stiffness index was defined as the reaction force computed at thoracic apex over the thoracic curve reduction (forceΔ Cobb angle). The statistical analysis consisted of an ANOVA with Tukey post-hoc test to compare the Cobb angles in different postures. Correlations were evaluated using the Pearson coefficient.  During manual correction, an average corrective force of 31 ± 6 N [23 N – 55 N] was measured under the therapist right hand. The simulation of this posture resulted in an average correction of 26 % (p < 0.05) of thoracic curvature with a non-significant clinical increase of the counter curvature. The thoracic kyphosis increased on average by 3˚ (p < 0.05) while the lumbar lordosis remained unchanged. Manual correction stiffness index varied from 2 to 10 N per degree of correction. Self-correction reduced on average by 33 % the thoracic curvature (p < 0.05) without affecting the lumbar counter curvature, while the sagittal curvatures flattened on average by 6˚ for the kyphosis and 5˚ for the lordosis (p < 0.05). Good correlation (r = 0.9) was obtained between the actual and simulated self-correction, despite the fact that the simulation tends to under-estimate the actual correction by 3˚ on average (p < 0.05). Average reaction force computed at thoracic apical vertebra was 45 N, which resulted in a stiffness index ranging between 0 and 21 N per degree of correction. There was no correlation between curve reduction obtained with manual correction and self-correction.  The ratio between the force applied and the thoracic curve reduction in self-correction allowed to define a stiffness index for a relative ranking of patient trunk flexibility. Self-correction stiffness index informs on patient's ability to correct by himself/herself the spine deformation. The lack of correlation between the corrections obtained in the two postures suggests that different correction mechanisms are at work: a passive correction (manual correction) and an active correction through muscular solicitation (self-correction).  The FEM computational model is a simplification of reality that allows testing of the effects of controlled parameters. As boundary conditions, the pelvis orientation was fixed in space and a predetermined position of T1 had to be established in the transverse plane. Manual correction could not be verified because it was ethically impossible to take a radiography while maintaining the posture, however the future exploitation of surface topography could eventually lead to a preliminary verification. Vertebral rotation was not measured nor implemented in the simulation. This modeling presents the general force required to maintain the posture of self-correction and manual correction; the different combinations of muscular recruitment to retain these postures are not explicitly represented in the model. The limited number of patients did not allow to establish relationship between the prescribed treatment (bracing, physiotherapy prior to this study or in progress) and the curve reductions measured and simulated in the GPR postures.  This study is one of the first to measure corrective force applied by physiotherapist hands during scoliosis GPR treatment and allowed to compute a stiffness index. More studies are required to complete the full validation of the model to simulate manual correction and self-correction. This would ultimately allow to quantify trunk stiffness without the necessity of ionised flexibility test. The definition of a stiffness index to quantify trunk resistance to correction would contribute to treatment planning and physiotherapy follow-up. In addition, the evaluation of self-correction potential finds its relevance in determining the effectiveness of the treatment regarding the integration of the corrected posture. Further research into the biomechanics of GPR correction mechanisms would support the contribution of this approach to treatment.


identifier: Rezaee, H. (2017). Improved Conditioning to Hard, Soft and Dynamic Data In Multiple-Point Geostatistical Simulation  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette dissertation, nous présentons trois méthodes visant à corriger autant de problèmes observés dans les simulations géostatistiques basées sur des statistiques multipoint (MPS). Le premier problème est le conditionnement aux données exactes (hard data) des algorithmes MPS par morceaux (patch-based). Le second problème est l'utilisation efficace de données auxiliaires (soft data) dans le MPS. Le dernier problème est la calibration des réalisations de faciès par MPS à des données dynamiques. Bien que le premier problème soit particulier au MPS par morceaux les deux autres sont communs à toutes les variantes de MPS ainsi qu'aux autres méthodes de modélisation des faciès. Dans une simulation MPS de variables catégoriques les données exactes trouvées dans le voisinage de recherche du point à simuler souvent ne correspondent à aucun des patrons disponibles dans l'image d'entrainement (TI). La solution habituellement utilisée est alors d'ignorer les points du voisinage les plus éloignés jusqu'à ce que le patron soit retrouvé dans la TI. Nous proposons plutôt l'utilisation de TI alternatives (ATI) permettant d'enrichir la base de données des patrons. Les ATIs sont obtenues par simulation non-conditionnelle (MPS par morceaux) à partir de la TI originale (OTI). Parmi toutes les ATI générées, certaines seulement sont sélectionnées en fonction des structures observées et des statistiques présentes dans ces ATI par rapport aux statistiques et aux structures des OTI. On vérifie également que chaque ATI apporte suffisamment de patrons présents dans les données exactes observées. Les ATIs qui ne sont pas assez riches en patrons observés ou qui ne sont pas statistiquement similaires à l'OTI, ou qui ont un contenu structurel différent de l'OTI sont rejetées. Les ATIs sélectionnées et l'OTI sont ensuite transmises à la boucle principale de simulation. Le nombre et la taille des ATIs sélectionnées peuvent être aussi grands que souhaité pourvu que les temps de calcul demeurent réalistes. Nous avons testé l'approche sur plusieurs TI différentes, catégoriques et continues, en 2D et en 3D. Nos résultats montrent que l'utilisation des ATIs améliore le conditionnement aux données exactes, améliore la reproduction de la texture des TI et permet de simuler sur de grandes grilles même à partir de petites OTI  ABSTRACT: In this dissertation, we present three methodologies to correct three problems observed in geostatistical simulations based on multiple-point statistics or MPS. The first problem is the conditioning to hard data of patch-based algorithms. The second problem is the efficient use of auxiliary data in patch-based MPS. The last is the calibration of facies realizations to dynamic data. The first problem is particular to patch-based MPS while the second and third are common between not only MPS approaches but also other facies modeling methods. In an MPS simulation of categorical variables, hard data found within the search neighbour-hood of simulation point often do not match exactly any of the patterns available in TI. One common solution to this problem is to drop out farther nodes until a matching pattern is found in TI. We propose instead using Alternative TIs (ATI) to enrich the pattern database. ATIs are mainly unconditional patch-based simulations based on original TI (OTI). Among the ATIs generated, some are selected based on the structures observed and their statistical features (histogram and variogram) compared with those of OTI. Their pattern databases are examined for the frequency of matching patterns with existing hard data configurations in simulation grid. ATIs that are not rich enough (as measured by number of matches for the hard data), not statistically similar to OTI, or with different structural content from OTI are discarded. The selected ATIs and OTI then are passed onto the main simulation loop. ATIs can be considered of any size and number as long as they are not computationally prohibitive for MPS simulation. We have tested the idea over several 2D and 3D TIs for categorical and continuous variables. Our test results show that using ATIs enhances the conditioning capa-bilities, improves the texture reproduction, and allows simulating over large grids even using much smaller OTIs.