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

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

• Auteur / Autrice : Marie-Line Pissonnier
• Direction : Yohan Payan, Robert Carlier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MBS - Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement
• Date : Inscription en doctorat le 26/02/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Translational Innovation in Medicine and Complexity
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GMCAO - Gestes Medico-chirurgicaux Assistés par Ordinateur

Mots clés

Mots clés libres

Pathologie

Biomécanique

Simulation numérique

Système musculo-squelettique

Musculoskeletal system

Pathology

Biomechanics

Computer simulation

Résumé

Dans la continuité de travaux réalisés par la doctorante, la thèse a pour objectif de poursuivre le développement d'un modèle biomécanique personnalisé éléments finis et multicorps rigide du rachis humain dans sa globalité et de l'évaluer pour une utilisation 'patient spécifique'. Parmi les antériorités apportées par la doctorante, l'ensemble des structures anatomiques volumiques musculaires et squelettiques a été segmenté à partir de données d'imagerie multimodale sur un individu. Le but de ce travail est d'adapter ce modèle volumique à un modèle multicorps rigides et de fusionner les caractéristiques anatomiques précises d'un sujet avec ses propres paramètres fonctionnels (debout statique mais aussi en mouvement). Le travail comprendra plusieurs étapes : Étape 1 : Poursuite du développement d'un modèle biomécanique du rachis humain Le modèle associera une approche par multicorps 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 - apport de la doctorante - (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'entrée pour le design seront issues d'une imagerie multimodale : IRM, CT-Scan, EOS, Échographie. La segmentation squelettique et musculaire du sujet « atlas » a déjà été réalisée à partir d'IRM et CT-Scan. 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 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.

In the continuity of the work carried out by the doctoral student, the thesis aims to further develop a personalized biomechanical model of the human spine as a whole and to evaluate it for 'specific patient' uses. Among the anteriorities provided by the doctoral student, all the muscular and skeletal volumetric anatomical structures were segmented based on multimodal imaging data on a subject. The aim of this work is to adapt this volume model to a rigid multibody model and to merge the precise anatomical characteristics of a subject with its own functional parameters (static standing but also in motion). The work will involve several steps: Step 1: Further development 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 - contribution of the doctoral student - (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 design will be derived from multimodal imaging: MRI, CT-Scan, EOS, Ultrasound. Skeletal and muscular segmentation of the 'atlas' subject has already been performed using MRI and CT-Scan. 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 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.