Optimisation d’une manchette élastomère silicone pour sphincter artificiel urinaire mécatronique.

Optimization of an elastomeric silicone cuff for an artificial mecatronic urinary sphincter

• Auteur / Autrice : Christopher Masri
• Direction : Gregory Chagnon, Denis Favier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 16/10/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble, Isère, France)
• Jury : Président / Présidente : Franck Jourdan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Mozer, Hamid Lamraoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Chabrand, Anne-Sophie Caro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères en médecine

Élastomères

Mots clés libres

Elastomère

Silicone

Sphincter urinaire artificiel

Tissus mous

Polymères

Elastomer

Silicone

Artificial urinary sphincter

Soft tissues

Polymers

Résumé

La société UroMems propose de résoudre les problèmes d’incontinence urinaire avec un nouveau sphincter urinaire artificiel, dans lequel le mécanisme de pompe manuelle utilisé dans les sphincters actuellement implantés dans de nombreux patients est remplacé par un dispositif mécatronique. Une manchette occlusive, mimant le fonctionnement du sphincter naturel, est reliée et activée par le dispositif afin d’autoriser la miction et l’incontinence du patient.Le travail de thèse s’oriente sur la compréhension et l’amélioration du sphincter artificiel. La première partie de cette étude porte sur la numérisation et la modélisation 3D de cette manchette, la caractérisation mécanique de ses différents composants et la mise en place d’un modèle éléments finis. Un banc de test sur un cas simple avec suivi par stéréo-corrélation d’images est également présenté afin de valider le comportement du modèle numérique pour un chargement simple. La deuxième partie porte sur la simulation du geste chirurgical et du fonctionnement de la manchette ainsi qu’une validation du modèle éléments finis en comparaison avec des mesures effectuées sur paillasse. La troisième partie de ce travail consiste à produire des données expérimentales sur sujet anatomique afin d’observer le fonctionnement de la manchette dans son environnement naturel. Les résultats de cette étude ont motivé l’utilisation d’un matériau fantôme (un hydrogel de Polyvinyl alcohol) dont les propriétés mécaniques sont ajustables. Une caractérisation mécanique de cet hydrogel est présentée ainsi qu’un banc d’essai servant de cas test pour la validation du modèle numérique complet. La quatrième partie propose une analyse histo-morphologique de l’urètre masculin, ainsi qu’une caractérisation mécanique complète. Les données obtenues sont ensuite intégrées au modèle éléments finis afin de simuler le fonctionnement de la manchette occlusive dans son environnement naturel. Dans la dernière partie l’outil numérique mis en place est exploité afin de proposer des pistes d’améliorations du sphincter artificiel actuel.

UroMems aims at developing a novel treatment solution for severe urinary incontinence by replacing the manual pump mechanism, which is currently considered as the gold standard and which is implanted in patients throughout the world, by a mechatronic device. An occlusive cuff that mimics the natural human sphincter is linked to the device in order to ensure continence and allow micturition.This work focuses on understanding and improving the artificial sphincter. The first part of this study aims at modeling of the occlusive cuff, characterizing the mechanical behavior of all of its components and establishing a corresponding finite element model. A bench test using digital image correlation is also presented in order to validate the behavior of the numerical model for a simple test. In the second part the implantation of the occlusive and its inflation are simulated and the model is validated by comparing its results to the data measured experimentally. The third part aims at validating the interaction between the occlusive cuff and an extraneous body in the numerical simulation. To this end the in vivo experimental behavior of the occlusive cuff is observed. The variability measured among the different subjects motivated the use of a phantom material (a Polyvinyl alcohol hydrogel) of controlled mechanical properties. A thorough mechanical characterization of the hydrogel is also presented in this part as well as a test bench used for the validation of the numerical model. The fourth part proposes a histo-morphological analysis of the male urethra and its mechanical characterization. The data obtained were then integrated to the finite element model. The last part of this work is dedicated to exploiting the finite element tool to propose design improvement of the occlusive cuff.