Vers une caractérisation multiphysique des pathologies médullaires humaines : couplage IRM multi-paramétrique et simulation biomécanique par éléments finis

Towards multi-physic characterization of spinal cord human pathologies : coupling between multi-parametric MRI and biomechanical finite element modeling

• Auteur / Autrice : Manuel Taso
• Direction : Pierre-Jean Arnoux, Virginie Callot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 29/04/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Mouvement Humain (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biomécanique Appliquée, UMR T24 INRETS (Aix-Marseille Université) - Centre de résonance magnétique biologique et médicale (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Hugues Roche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Jean Arnoux, Virginie Callot, Pierre-Hugues Roche, Julien Cohen-Adad, Remy Willinger, Yvan Petit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Cohen-Adad, Remy Willinger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Myélites

Moelle épinière

Biomécanique

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

Irm

Biomécanique

Moelle épinière

Pathologies médullaires

Modèle multiphysique

Myélopathie

Modèles Elements Finis

Mri

Biomechanics

Spinal Cord

Spinal cord pathologies

Multi-Physic modeling

Myelopathy

Finite Element Modeling

Résumé

La myélopathie cervicale est une maladie chronique dégénérative de la moelle épinière dont la fréquence augmente avec l’âge. Elle est caractérisée par une compression mécanique menant à un endommagement de la structure médullaire et peut être source de handicaps sévères dégradant la qualité de vie. Néanmoins, la prise en charge clinique reste délicate.C’est pourquoi les travaux conduits dans le cadre de cette thèse se sont focalisés sur la compréhension des phénomènes biomécaniques à l’origine de cet endommagement (via des méthodes de simulation par éléments finis) et les conséquences microstructurelles pouvant être observées par IRM multi-paramétrique. Plus précisément, le but était d’établir un lien entre la cause mécanique et les conséquences structurelles menant aux déficits cliniques afin de mieux comprendre et prédire l’évolution de ces pathologies.Pour atteindre cela, une caractérisation de la morphologie et microstructure de la moelle épinière saine a été conduite par IRM, procurant à la fois une source de données normatives pour évaluer les atteintes chez patients mais aussi des données d’entrée pour raffiner les modèles numériques utilisés. D’un point de vue biomécanique, les phénomènes mécaniques observés lors d’une compression médullaire telle que pouvant être rencontrée dans une myélopathie cervicale ont été étudiés. Bien qu’à confirmer, les résultats obtenus au cours de ces travaux sont encourageants et posent une première pierre vers l’établissement de nouvelles méthodes permettant de mieux comprendre l’origine des déficits observés chez des patients souffrant de lésions médullaires en étudiant le lien entre mécanique, microstructure et fonction.

Cervical myelopathy is a chronic degenerative spinal cord pathology whose incidence increases with age. It is characterized by a mechanical compression leading to structural spinal cord damage. It can be at the origin of severe handicap hampering the quality of life. However, the clinical management remains challenging.This is why the work conducted in this thesis was focused on the comprehension of the biomechanics of the spinal cord damage (through numerical simulation finite element methods) and microstructural consequences that can be observed with multi-parametric MR imaging. More specifically, the final goal was to link the mechanical cause to the structural consequences at the origin of the clinical deficits in order to better understand and predict the pathology’s evolution.To reach that end, a characterization of the morphology and microstructure of the spinal cord was achieved using MRI, procuring on one side a normative database useful to study the alterations encountered in patients, and on another side to refine the numerical models employed. From a biomechanical perspective, the mechanisms of spinal cord compression as encountered in cervical myelopathy were studied using finite element analysis. The results obtained, which should be confirmed, are encouraging and represent a first stone towards the establishment of new methods in order to help in the clinical management of patients with spinal cord lesions by linking the mechanics, microstructure and function of the spinal cord.