Contribution à la modélisation du membre résiduel des personnes amputées de membre inférieur pour la conception personnalisée de l'emboiture.

par Nolwenn Fougeron

Projet de thèse en Biomécanique et ingénierie pour la santé

Sous la direction de Hélène Pillet-goujon et de Xavier Bonnet.

Thèses en préparation à Paris, ENSAM , 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 15-12-2017 .


  • Résumé

    L'emboiture est un élément critique de la prothèse. Il s'agit en effet d'un composant essentiel pour la protection du membre résiduel. De plus, la proprioception habituellement assurée au niveau du contact pied/sol est reportée à l'interface membre résiduel/emboiture. Elle joue également un rôle fonctionnel dans la transmission des efforts de contact entre le sol et le membre inférieur prothétique vers le squelette de la personne. Cette transmission est réalisée par le biais des tissus mous situés entre l'emboiture et les segments résiduels. La nature de ces tissus les rend vulnérable à ces sollicitations qui ne sont pas rencontrées chez les sujets non-amputés. Ainsi il n'est pas rare que l'interaction entre le moignon et l'emboiture conduisent à une sensation d'inconfort voir à des complications comme des irritations de la peau, des œdèmes ou encore à des lésions tissulaires profondes qui peuvent être traumatisante pour le patient (Levy 1980; Nielsen et al. 1990; Mak et al. 2001). Pour éviter cela un bon compromis doit être trouvé entre la transmission des efforts au membre résiduel et le bon maintien de l'emboiture. De nos jours la conception des emboitures patient-spécifiques repose sur le moulage du membre résiduel par l'orthoprothésiste. Ce moule est manuellement rectifié selon l'avis d'expert de l'orthoprothésiste. Pour apporter de l'aide au prothésiste, un certain nombre de modèles numériques ont vu le jour afin de quantifier les forces à l'interface du moignon (Krouskop et al. 1987, Zhang et al. 2001, Jia et al. 2005, Colombo et al. 2010). Les modèles numériques ont pour avantage d'estimer des quantités mécaniques qui ne peuvent pas être mesurées par l'orthoprothésiste. Par contre, ils nécessitent de prendre en compte des paramètres tels que les caractéristiques mécaniques des matériaux ou les conditions de chargement. Cependant ces modèles sont complexes puisqu'ils représentent des ensembles multi-corps avec des contacts frottant, aux propriétés non linéaires, soumis à de grandes déformations et à des chargements dynamiques très variables. De plus les données des patients sont aussi très variables que ce soit les propriétés des matériaux ou de la géométrie du moignon. D'autre part, pour être utilisés par les orthoprothésistes, ces modèles doivent également respecter des contraintes de temps de mise en œuvre et de matériels accessibles en termes de coût et de complexité d'utilisation. Cette thèse a pour but de développer un modèle mécanique de l'ensemble membre résiduel et emboiture à partir de systèmes d'imagerie non-invasifs pour l'aide à la conception et à l'adaptation de l'emboiture à la personne. Pour ce faire le projet sera divisé en trois étapes. Dans un premier temps les données d'entrée et de sortie du modèle seront à définir en tenant compte des contraintes liées à l'environnement du projet. L'acquisition des données d'entrée se fera à l'aide de systèmes d'imagerie non-invasifs et la fiabilité de ces données sera évaluée par comparaison à des gold standards. A partir de ces données d'entrée et en tenant compte des sorties attendues, un modèle mécanique numérique sera conçu. La validation du modèle sera réalisée par confrontation des résultats avec des mesures réalisées sur patients. Enfin, ce modèle sera implanté le modèle dans un logiciel utilisable par les orthoprothésistes.

  • Titre traduit

    Contribution to the modelling of the residual limb of people with lower limb amputation for personalized design of the socket.


  • Résumé

    The socket is a critical element of the prosthesis. This is an essential component of the protection of the residual limb. Moreover the proprioception usually ensured at the level of the foot/ground contact is achieved via the interface between the socket and the residual limb. The socket also has a functional role in the transmission of contact forces between the ground/ prosthetic leg interface and the skeleton. This transmission is possible thanks to soft tissues located between the socket and the residual bones. The nature of these tissues make them vulnerable to non-physiological loads that do not appear in non-amputated subjects. It is therefore not uncommon to observe that the interaction between the stump and the socket leads to discomfort and to complications such as skin irritation, edema or deep tissue injuries that can be traumatic to the patient (Levy 1980; Nielsen et al. 1990; Mak et al. 2001). To avoid this, a good compromise has to be found between the transmitted forces to the stump and the fitting of the socket. Nowadays the design of the subject-specific socket relies on the casting of the residual limb form a prosthetist. The cast is then manually rectified according to the prosthetist expertise. To assist the prosthetist while designing the socket numerous numerical models have been developed to quantify the loads acting at the stump/socket interface (Krouskop et al. 1987, Zhang et al. 2001, Jia et al. 2005, Colombo et al. 2010). Numerical models have are used when mechanical quantities cannot be measured experimentally by the prosthetist. However they necessitate to have a good knowledge of the the mechanical properties of the soft tissues, the geometry and the loading conditions. As a result, these models are complex to design because they represent a multibody problem with slip contact, nonlinear materials with high deformation and variable dynamic loading. Moreover data are highly patient specific as regard to the stump geometry and material properties. Concerning clinical application mechanical models have to respect time and material constraints. Indeed the simulation has to be computed in a fast and accurate manner so as to enable the prosthetist to use it in a classic consultation. Materials and methods needed for the design of the model also need to be consistent with the material available for the technicians in terms of cost and complexity of use. This thesis aims at the development of a mechanical model of the assembly socket and residual limb from non-invasive imaging systems as a decision help for the design and adaptation of the socket to the subject. To do so the work will be divided in three parts. First the input and output data will be defined taking into account the constraints linked to the environment of the project. The input data will be accessible through noninvasive medical imaging systems and the reliability of the collected data will be evaluated by comparison with gold standards. From the input data and taking into account the expected outputs a numerical model will be designed. The validation of the model will be realized based on experimental data acquired in vivo in patients. Eventually the model will be implemented in a custom-made software that can be used by the orthoprosthesist.