La modélisation en éléments finis personnalisée du membre inférieur

par Bhrigu Lahkar

Projet de thèse en Biomécanique et ingénierie pour la santé

Sous la direction de Wafa Skalli et de Patricia Thoreux.

Thèses en préparation à Paris, HESAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec IBHGC Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (laboratoire) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    L'objectif scientifique de ce travail de thèse est la modélisation éléments finis personnalisée du membre inférieur (bassin, genou et pied) à partir de reconstructions 3D issues de radiographies biplanes pour étudier les mécanismes d'action responsables de certaines pathologies du membre inferieur, et en particulier du genou. Dans la littérature, la plupart des modèles d'éléments finis (EF) sont construits à partir de de données issues de la tomodensitométrie (CT-scan) ou de l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Du fait des temps de segmentation et de maillage long associé à ces techniques, la génération rapide de modèles EF personnalisé du membre inferieur reste un verrou majeur. L'objectif de ce travail est de tirer parti des développements récents réalisés en terme de reconstruction 3D rapides des membres inférieurs (bassin, membre inferieurs et pied) à partir radiographies bi-planes pour développer un modèle EF complet du membre inferieur et de le valider en le confrontant a des données collectées a l'Institut. Deux volets essentiels de la thèse seront explorés. Dans un premier temps, sur la base des travaux déjà réalisés a l'Institut sur la modélisation 3D en EF du bassin, du genou et de la cheville, un modèle EF du membre inférieur complet sera développé et validé. Cependant, dans cette approche, le temps de calcul élevé et la complexité des simulations ne permettent pas le transfert dans le domaine clinique. En outre, un haut niveau d'expertise en ingénierie est nécessaire pour manipuler ce genre de modèles. À cela s'ajoute le coût élevé associé à l'achat de licences commerciales qui constitue également une préoccupation majeure. Par conséquent un deuxième volet sera consacré au développement d'un solveur EF rapide. Une fois que le modèle EF personnalisé sera développé et validé sur un sujet sain, il sera étendu à l'étude de diverses pathologies de l'articulation du genou, comme, par exemple, les lésions résultant de la rupture du ligament croise et la prise en charge à l'aide de ligaments artificiels.

  • Titre traduit

    Subject specific Finite element modelling of lower limb


  • Résumé

    The global scientific objective of the PhD thesis is Finite Element modelling of patient specific lower limb consisting of pelvis, knee and foot from 3D reconstruction of bi-planar X-ray images and then to explore application of the model on lower limb pathology with specific attention to knee-joint. In general, Finite Element (FE) models are built from patient medical image data, such as computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI). However, building FE mesh from either CT or MRI data is tedious which causes major bottlenecks for the fast generation of patient-specific FE models. Therefore, the idea here is to take advantage of the recent developments in 3D reconstruction techniques from calibrated bi-planar X-ray imaging which provide a promising alternative tool for patient-specific 3D modelling of the pelvis (Mitton et al. 2006), lower limb (Chaibi et al., 2012) and foot. There will be two vital aspects of the thesis. In aspect1 main focus will be given to the modelling of the lower limb in ANSYS environment which will act as benchmark for further investigations. Here, on the basis of the previously initiated work for pelvis, knee and ankle joints the whole lower limb model for individual patient will be developed and validated against in-vivo response. However in this approach, issues like computational cost and high complexity in simulating FE codes for orthopaedic surgeons may lead to a cumbersome method for its application in clinical routine. Moreover, high level of expertise with engineering background is necessary to handle these kind of models. Cost associated with purchasing commercial licenses is also a major concern of this aspect. Therefore, aspect2 will be devoted to development of fast solver for computing analysis to be able to use in clinical applications. The scope of the thesis will mainly be limited to quasi-static applications though there are ample scopes to investigate dynamic conditions also (e.g. sports). Once the model is validated for healthy subject it will be further extended to study various pathology focusing mainly on knee joint, such as prosthetic knee, ACL deficient knee, knee with artificial ligament etc.