Conception et évaluation d'un modèle musculo-squelettique et éléments finis du rachis humain. Analyse des variations structuro-fonctionnelles, du sujet sain au pathologique.

par Marie-line Pissonnier

Projet de thèse en MBS - Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement

Sous la direction de Yohan Payan et de Jérome Tonetti(edisce).

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble) , en partenariat avec Techniques de L'Ingénierie Médicale et de la Complexité - Inofrmatique, Mathématiques et Applications. (laboratoire) et de GMCAO : recherche sur la modélisation, l'imagerie et la robotique médicales destinée à aider le geste médicochirurgical (equipe de recherche) depuis le 01-03-2018 .


  • Résumé

    La thèse a pour objectif de développer un modèle biomécanique personnalisé éléments finis et multicorps rigide du rachis humain dans sa globalité et de le valider pour une utilisation "patient spécifique". L'intérêt est de fusionner les paramètres fonctionnels d'un sujet (debout statique mais aussi en mouvement) avec ses caractéristiques anatomiques précises. Le travail comprendra plusieurs étapes : Étape 1 : conception d'un modèle biomécanique du rachis humain Le modèle associera une approche par multi corps rigides couplée à une méthode par éléments finis. Plusieurs contraintes sont à prendre en compte ; le modèle devra être : - Exhaustif du point de vue de l'anatomie structurelle (prise en compte de l'ensemble de la colonne vertébrale et ses rapports avec la base du crâne et le bassin, de tous les éléments ligamentaires et musculaires, mono et plurisegmentaires, mais aussi de la cage thoracique, la paroi abdominale et les ceintures des membres). - Réaliste dans la conception de l'anatomie fonctionnelle. - Paramétrable d'un point de vue du réalisme de la description anatomique (modèle complexe à simpliste, modèle général à local). - Évoluant du générique (modèle atlas) au " patient spécifique " (modèle d'un individu avec sa pathologie). Les données d'entrées pour la segmentation et le design seront issues d'une imagerie multimodale : IRM, CT-Scan, EOS, Échographie. Les données fonctionnelles permettant la caractérisation des propriétés mécaniques et dynamiques seront issues de la littérature, de connaissances développées au sein du laboratoire TIMC-IMAG, et de métriques issues de l'analyse du mouvement et de la dynamique inverse par modèle musculo-squelettique. Étape 2 : Évaluation et simulation " patient-spécifique " L'évaluation du modèle comprendra : - L'acquisition de données morphologiques d'un sujet sain. - L'acquisition par analyse de mouvement de données fonctionnelles. - La comparaison dans un ensemble de mobilités des données cinématiques et cinétiques simulées avec les résultats de l'analyse quantifiée du mouvement par dynamique inverse. Validation sur un voire plusieurs cas pathologiques : - Un transfert anatomique du modèle atlas sur une morphologie scoliotique sera appliqué. Puis, une comparaison entre simulation et analyse du mouvement sera réalisée. Des hypothèses morpho-dynamiques musculaires pourront être testées dans la physiopathologie de la scoliose. - Ce même principe pourrait être également appliqué sur des variations structurelles, à savoir anomalies transitionnelles, spondylolisthésis.

  • Titre traduit

    Conception and evaluation of a musculoskeletal and finite element model of the human spine. Analysis of structural-functional variations, from healthy to pathological subjects.


  • Résumé

    The objective of the thesis is to develop a personalized biomechanical model of the human spine as a whole and to validate it for "specific patient" uses. The interest is to merge the functional parameters of a subject (static standing but also in motion) with its precise anatomical characteristics. The work will involve several steps: Step 1: Designing a biomechanical model of the human spine The model will combine a rigid multibody approach with a finite element method. Several constraints must be taken into account; the model must be: - Complete in terms of structural anatomy (taking into account the entire vertebral column and its relationship to the base of the skull and pelvis, all ligamentary and muscular, mono and plurisegmental elements, but also the thoracic cage, abdominal wall and limb belts). - Realistic in the conception of functional anatomy. - Scalable from a definition point of view (complex to simplistic model, global to local model). - Evolution from the generic (atlas model) to the " specific patient " (model of an individual with his pathology). The input data for segmentation and design will be derived from multimodal imaging: MRI, CT-Scan, EOS, Ultrasound. The functional data allowing the characterization of mechanical and dynamic properties will be derived from the literature, knowledge developed within the TIMC-IMAG laboratory, and metrics derived from the analysis of movement and inverse dynamics by musculoskeletal modeling. Step 2: Patient-specific assessment and simulation The evaluation of the model will include: - The acquisition of morphological data of a healthy subject. - The acquisition by motion analysis of functional data. - Comparison in a mobility set of simulated kinematic and kinetic data with the results of quantified inverse dynamic motion analysis. Validation on one or more pathological cases: - An anatomical transfer of the atlas model to a scoliotic morphology will be applied. Then a comparison between simulation and motion analysis will be made. Morpho-dynamic muscular hypotheses can be tested in the pathophysiology of scoliosis. - The same method could also be applied to structural variations, i. e. lumbosacral joint anomalies, spondylolisthesis.