Modélisation anatomique utilisateur-spécifique et animation temps-réel. Application à l'apprentissage de l'anatomie. (User-specific real-time registration and tracking applied to anatomy learning)

La complexite de l’anatomie fait de son apprentissage une tâche difficile. Au fil des annees, differents supports de connaissances ont vu le jour dans le but de representer et structurer l’anatomie : des dessins au tableau, aux livres d’anatomie, en passant par l’etape incontournable de la dissection, et des travaux pratiques sur maquettes 3d. Il est neanmoins difficile d’apprehenderla dimension dynamique de l’anatomie avec les outils d’apprentissage conventionnels ; connaissance qui est pourtant essentielle a la formation des medecins. A travers ces travaux de these nous proposons un systeme original et innovant pour l’apprentissage de l’anatomie intitule « Living Book of Anatomy » (LBA). L’idee etant, pour un utilisateur donne, de superposer a sa propre image une maquette anatomique 3d (peau, squelette, muscles et visceres) et del’animer en mimant les mouvements de celui-ci. Nous parlons ici d’une application temps-reel de type « miroir augmente ». Nous utilisons la Kinect comme capteur de mouvement.Le premier defi a relever est l’identification de caracteristiques morphologiques qui nous permettront de recaler notre maquette anatomique 3d sur l’utilisateur. Nous proposons ici deux technologies interchangeables en fonction des besoins. La premiere methode, temps-reel, est basee sur l’utilisation de transformations affines attachees entre les reperes positionnes a chaque articulation du squelette donne par la Kinect pour deformer la maquette 3d a l’aide de poids de skinning predefinis. La seconde methode, plus couteuse en temps (de l’ordre de quelques minutes), se decoupe en trois parties : dans un premier temps nous deformons la peau a l’aide de la position des articulations du squelette d’animation Kinect et du nuage de pointpartiel de l’utilisateur ; a partir de cela et de regles anatomiques strictes nous deformons le squelette ; pour finir nous deformons les tissus mous pour qu’ils comblent l’espace entre le squelette et la peau. Le second defi concerne la capture realiste et temps-reel des mouvements utilisateurs. Reproduire le comportement des structures anatomiques est une tâche complexe due aux informations Kinect souvent partielles et tres bruitees. Nous proposons ici l’utilisation de regles anatomiques concernant les articulations du corps (axes de rotation et butees articulaires) pour contraindre les mouvements donnes par la Kinect et obtenir des mouvements realistes. Pour obtenir des mouvements fluides nous nous proposons d’utiliser des filtrages, notamment le filtre de Kalman. Le dernier defi concerne la dominante de retour visuel et d’interaction.Lors de ces travaux nous nous sommes tout particulierement interesses a un renducorps complet pour montrer le fonctionnement general du corps humain et de ces differentes articulations. Nous avons egalement choisi le membre inferieur comme structure anatomique d’interet avec pour but la mise en avant de phenomenes anatomiques specifiques, comme l’activite musculaire.Les differents elements ont ete integres dans un systeme operationnel presente en details dans ce manuscrit de these. Grâce a des experimentations - avec des etudiants et des professionnels de differents domaines - et la presentation de ces travaux sous forme de demonstrations lors de differents congres, nous avons valide cet outil