Conception et évaluation d’un modèle biomécanique, éléments finis, patient-spécifique, du pied humain. Applications en podologie, orthopédie et diabétologie : applications en podologie, orthopédie et diabétologie

Design and evaluation of a biomechanical, finite elements and patient-specific model of the human. : foot.Applications in podiatry, orthopedics and diabetology

• Auteur / Autrice : Antoine Perrier
• Direction : Yohan Payan, Nicolas Vuillerme
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement
• Date : Soutenance le 04/07/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Raphaël Dumas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Vuillerme, Marek Bucki, Amit Gefen, Michel Rochette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaël Dumas, Bernard Parratte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Podologie

Mots clés libres

Modélisation

Podologie

Biomécanique des tissus mous

Pied diabétique

Éléments finis

Musculo-Squelettique

Modeling

Podiatry

Soft tissue analysis

Diabetic foot

Finite element

Musculo-Skeletal

Résumé

Conception et évaluation d’un modèle biomécanique, éléments finis, patient-spécifique, du pied humainApplications en podologie, orthopédie et diabétologieLe pied est une des structures les plus complexes du corps humain. Avec 28 os, 33 articulations et une centaine de structures ligamentaires, cette entité poly articulée est le résultat d’une hyperspécialisation ayant contribué à faire de l’homme l’unique primate totalement bipède. Quelque soit le relief, quelque soit le mouvement en cours, le pied transmet au tibia le bon vecteur force afin de finaliser le geste de la manière la plus précise et économe en énergie possible dans l’objectif de préparer l’action des segments sus jacents. Ainsi, en cas de lésion d’une des structures, l’ensemble du complexe pied doit pouvoir s’adapter, si ce n’est pas le cas, les tissus mous, les articulations ou les os seront fragilisés et verront leur fonction propre au sein de ce complexe altérée.Prédire l’adaptation du pied à une modification structurelle, tissulaire, neurologique ou fonctionnelle est un enjeu important dans l’estimation du risque lésionnel.Afin d’initier une réponse à ces problématiques, nous avons décidé au cours de cette thèse de modéliser le pied humain avec des outils mathématiques de simulation biomécanique. Dans un premier temps, un modèle tridimensionnel musculo-squelettique du pied a été reconstruit à partir d’imagerie scanner. Le pied polyarticulé en multicorps rigides obtenu possède des articulations uniquement contraintes par les ligaments et contacts osseux. Les muscles ont été implémentés afin de piloter le modèle en dynamique directe. Enfin, les tissus mous comme les volumes musculaires, le gras et la peau ont été maillés en éléments finis. L’utilisation d’un environnement de programmation multi-physique open source (Artisynth) a permis de coupler la modélisation musculo-squelettique et éléments finis.• L’adaptation du pied au sol en orthostatisme a été évaluée par comparaison des cartographies de pression d’une mise en charge simulée avec la mise en charge réelle du sujet.• Le contrôle moteur du pied en chaine ouverte par l’activation des muscles extrinsèques a été évalué en comparant la cinématique du modèle biomécanique pilotée par électromyographie avec la cinématique capturée en laboratoire sur un mouvement d’abduction – adduction.• Nous avons ensuite cherché à comprendre comment une arthrodèse de cheville modifie la cinématique du pied à la contraction musculaire, l’objectif étant d’aider au réglage chirurgical du geste.• Enfin nous avons utilisé les dernières avancées sur la physiologie de la plaie de pression afin de prédire le risque d’ulcération sur un pied neuroarthropatique diabétique par simulation numérique.Le modèle ainsi que les routines de simulations mis en place nous permettent d’avoir un des modèles les plus aboutis du pied humain utilisant aussi bien des données physiques externes comme les données baropodométriques, les données d’analyse quantifiée du mouvement ou encore les données électromyographiques. Ce modèle permettra par l’intermédiaire d’outils de mesh-matching d’obtenir des modèles patients spécifiques. Les domaines d’applications porteront sur l’aide au geste chirurgical, la prévention des risques d’ulcération, l’analyse avancée des relations entre le pied et le membre inférieur, mais aussi l’aide à la conception de prothèse en orthopédie classique et en mécatronique.

Biomechanical modeling of the human foot. Application to the healthy and pathological subject.The foot is one of the more complex structures of the human body. With 28 bones, 33 joints and a hundred ligamentous structures, this articulated entity is the result of a hyper specialization that makes humans the only obligate bipedal primates. Whatever the terrain, whatever the current movement, the foot transmits to the tibia the right force vector to finalize the gesture in the most precise and efficient manner and prepares the action of the lower limb. Thus, in case of injury to one of the structures, the whole foot complex must adapt if it is not the case, soft tissues, joints or bones are fragile and will have their own function within this complex altered .Predicting the foot’s adaptation of a structural, tissue, neurological or functional modification is an important issue in estimating the risk lesion on locomotion, in the design of therapeutic footwear and orthotics of the degenerative foot, but also in the future of this complex in situations where the boundary conditions change like working in microgravity or foot exoskeleton coupling.To initiate a response to these problems, we decided during this thesis to model the human foot with mathematical tools for biomechanical simulation. Initially, a musculoskeletal three-dimensional model of the foot was reconstructed from computed tomography. The multi-articulated foot joints constraints obtained by ligaments and bone contact. The muscles have been implemented to control the model in direct dynamic. Finally, the soft tissues such as muscle volume, fat and skin were meshed into finite elements. Using a multi-physics open source programming environment (Artisynth) allowed to couple musculoskeletal modeling and finite elements.• Adapting the foot on the ground in upright posture was evaluated by comparing the pressure maps at a simulated load setting with the actual loading pressure map of the subject.• The motor control of foot in opened chain by activation of the extrinsic muscles was assessed by comparing the kinematics of the biomechanical model piloted by electromyography with kinematics captured in the laboratory on a movement of abduction - adduction.• We then sought to understand how an ankle arthrodesis alter the kinematics of the foot muscle contraction, with the aim of helping the surgical setting gesture.• Finally, we used the latest advances in the physiology of a pressure ulcer to predict the risk of ulceration on diabetic foot with Charcot neuro arthropathy by numerical simulation.The model and simulation routines in place allow us to have one of the most successful models of the human foot using both external physical data like pedobarographic data, motion analysis data or electromyography data. This model will allow through mesh-matching tool to obtain specific patient models. The fields of applications will focus on assisted surgery, prevention of ulceration, advanced analysis of relations between the foot and the leg, but also will help the prosthesis design in orthopedic and mechatronics.