Contribution à l’amélioration d’un modèle EF du cou pour des simulations robustes et bio-fidèles

Contribution to the improvement of a neck FE model for robust and bio-fidelic simulations

• Auteur / Autrice : Mohamed Maamir
• Direction : Laurence Chèze, Bertrand Olivier Fréchède
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 14/06/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs
• Jury : Président / Présidente : Yohan Payan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Chèze, Bertrand Olivier Fréchède, Sabine Bensamoun, Sonia Duprey, Baptiste Sandoz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yohan Payan, Sabine Bensamoun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cou

Vertèbres cervicales

Simulation, Méthodes de

Simulation par ordinateur

Squelette humain

Mots clés libres

Elements-finis

Muscle

Cou

Contraction

Finite-elements

Musce

Neck

Contraction

Résumé

Contexte: Le LBMC développe des modèles numériques volumiques de comportement par Eléments-Finis (EF) pour des applications en choc automobile, en ergonomie et en orthopédie. Dans ces deux derniers domaines, les équipes ‘Biomécanique et Ergonomie’ et ‘Biomécanique et Orthopédie’ du LBMC développent depuis plusieurs années des modèles musculo-squelettiques personnalisés visant à terme à pouvoir représenter un sujet virtuel, son état physiologique et ses pathologies spécifiques. Le projet Européen DEMU2NECK a ainsi abouti au développement d’un modèle EF du cou qui s’inscrit dans une telle démarche. Les résultats de ce travail ont permis de mettre en avant le potentiel apporté par la modélisation d’actions musculaires volumiques, dans le but de mieux rendre compte des sollicitations biomécaniques engendrées au sein du rachis cervical au cours de tâches de la vie courante. Ce potentiel concerne tout spécialement la capacité à mieux représenter des sujets présentant des spécificités, comme la dégradation d’une capacité musculaire et fonctionnelle chez le sujet pathologique ou âgé. Ses enjeux applicatifs concernent l’aide à la conception de dispositifs médicaux (ex. implants ou prothèses rachidiens) par le biais d’essais cliniques ‘in-silico’, mais peuvent également viser le transfert vers des applications en lien avec l’ergonomie ou l’évaluation virtuelle du risque lésionnel de l’occupant automobile dans des configurations d’accidents encore mal définies (ex. d’une meilleure prise en compte du comportement postural de l’occupant en phase de pré-crash pour les futurs véhicules autonomes). Objectifs : Afin de pouvoir envisager le développement de telles applications et à terme d’essais biomécaniques ou cliniques virtuels, il est impératif de poursuivre le travail entrepris sur la robustesse du modèle musculaire actif, portant à la fois sur sa vérification numérique et sur sa validation dans une démarche de type VV&UQ (Verification Validation and Uncertainty Quantification), mise en place récemment par le biais d’un axe thématique transverse commun aux équipes du LBMC. Cette démarche est aussi soutenue par l’Ifsttar avec le financement d’un master en alternance. Dans le cadre de la thèse, le travail consistera à : - Améliorer la robustesse de la modélisation des muscles EF du cou. La prise en compte des efforts musculaires actifs n’existant à ce jour pas dans ce type de modèles, cet objectif forme le cœur du travail exploratoire de recherche et des publications attendues ; il pourra cibler plusieurs niveaux : - L’évaluation et l’amélioration de la formulation et de l’implémentation du modèle de muscle actif actuellement utilisé dans le code de calcul LSDyna (matrice passive 3D couplée à des éléments 1D de type Hill), - L’évaluation de l’estimation des distributions d’activations/d’efforts musculaires par le biais d’une boucle de calcul (co-simulation) intégrant une modélisation parallèle en multi-corps dynamique, o La contribution à l’obtention de données de validation musculaire in-vivo en dynamique permettant de mieux valider ces distributions. - Poursuivre l’intégration des approches de personnalisation développées au sein du LBMC sur la base de l’imagerie médicale. - Poursuivre la validation et l’amélioration de la bio-fidélité du modèle, et l’appliquer à des cas d’études de pathologies (dégénérescence ou dystonie musculaire) et à l’évaluation comparative de solutions technologiques du domaine de l’arthrodèse et de l’arthroplastie cervicales.

Context: The LBMC develops numerical volume models of behavior by Finite Elements (FE) for applications in automotive impact, ergonomics and orthopedics. In these last two areas, the teams 'Biomechanics and Ergonomics' and 'Biomechanics and Orthopedics' of the LBMC have been developing for several years personalized musculoskeletal models aiming to eventually be able to represent a virtual subject, its physiological state and its specific pathologies. The European project DEMU2NECK has led to the development of an EF model of the neck that is part of such an approach. The results of this work have allowed to highlight the potential brought by the modeling of volumetric muscular actions, in order to better account for the biomechanical solicitations generated within the cervical spine during everyday life tasks. This potential especially concerns the ability to better represent subjects with specificities, such as the degradation of a muscular and functional capacity in pathological or elderly subjects. Its applicative stakes concern the help to the design of medical devices (e.g. spinal implants or prostheses) through 'in-silico' clinical trials, but can also aim at the transfer towards applications in connection with ergonomics or the virtual evaluation of the lesion risk of the car occupant in still poorly defined accident configurations (e.g. a better taking into account of the postural behavior of the occupant in pre-crash phase for the future autonomous vehicles). Objectives : In order to consider the development of such applications and eventually biomechanical or clinical virtual tests, it is imperative to continue the work undertaken on the robustness of the active muscle model, both on its numerical verification and its validation in a VV&UQ (Verification Validation and Uncertainty Quantification), recently established through a transverse thematic axis common to the LBMC teams. This approach is also supported by Ifsttar with the financing of a master's degree in alternation. Within the framework of the thesis, the work will consist of: - Improving the robustness of the modeling of EF muscles of the neck. The consideration of active muscular efforts does not exist to date in this type of model, this objective forms the core of the exploratory research work and the expected publications; it may target several levels: - Evaluation and improvement of the formulation and implementation of the active muscle model currently used in the LSDyna computational code (3D passive matrix coupled to 1D Hill elements), - Evaluation of the estimation of muscle activation/stress distributions through a computational loop (co-simulation) integrating parallel multi-body dynamic modeling, - The contribution to obtaining dynamic in-vivo muscle validation data allowing to better validate these distributions. - Continue the integration of personalization approaches developed within the LBMC on the basis of medical imaging. - Continue the validation and improvement of the bio-fidelity of the model, and apply it to pathology studies (muscle degeneration or dystonia) and to the comparative evaluation of technological solutions in the field of arthrodesis and cervical arthroplasty.