Modélisation du système musculosquelettique des membres inférieurs : modèle biomécanique vs. méta modèle

Musculoskeletal modeling of the lower limbs : biomechanical model vs. Meta model

• Auteur / Autrice : Tien-Tuan Dao
• Direction : Marie-Christine Ho Ba Tho, Frédéric Marin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bio-ingénierie, biomécanique, biomatériaux
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Compiègne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Infirmité motrice cérébrale

Pied bot

Poliomyélite

Systèmes d'aide à la décision

Membre inférieur

Appareil locomoteur

Analyse du mouvement

Modèles mathématiques

Biomécanique

Mots clés libres

Modélisation biomécanique

Ingénierie des connaissances

Heine-Medin (Polio)

Paralysie cérébrale

Résumé

La compréhension du fonctionnement du corps humain est un challenge de recherche afin de prendre une décision médicale (le diagnostic, le traitement) adéquate dans le cas des pathologies liées au système musculosquelettique. Pour faire face à cette problématique, dans un premier temps, un modèle biomécanique a été développé décrivant la dynamique du mouvement avec prise en considération des caractéristiques géométriques (os et muscles) et mécaniques du système musculo-squelettique. Une étude de sensibilité de ces paramètres géométriques à partir des données de la littérature a montré l'importance de la personnalisation des ces paramètres. En application, un cas d'étude clinique d'un sujet présentant une pathologie (Polio) a été étudié. Deux modèles personnalisés (un sujet sain et un sujet pathologique) ont été développés. Les résultats obtenus ont montré l'intérêt d'une modélisation personnalisée pour évaluer et concevoir des orthèses personnalisés. Dans un deuxième temps, nous avons proposé une nouvelle classe de modèle - un méta modèle (Système d'Aide à la Décision) - intégrant des résultats du domaine de l'ingénierie des connaissances pour diagnostiquer et proposer un traitement des pathologies du système musculo-squelettique des membres inférieurs (anomalies rotationnelles (AR), enfants PC (Paralysie Cérébrale), pied bot). Ce système est générique, flexible, et extensible et permet donc l'étude et l'analyse de pathologies diverses du système musculo-squelettique des membres inférieurs. Enfin, une comparaison de ces deux approches de modélisation a été effectuée afin d'évaluer leur complémentarité pour une utilisation clinique.

Understanding of the mechanical behavior of the human body is a challenge to take appropriate medical decisions (e. G. The patient's diagnosis or treatment). To solve this problem, first, a dynamic model of the musculoskeletal system of the lower limbs has been developed. A sensitivity analysis of the anthropometrical and geometrical parameters of the bones and muscles was performed with literature data. The computational results showed strong variations of kinematics and kinetics parameters function of the selected input data. All these findings suggest the development of patient specific musculoskeletal models using medical imaging technique for individualized geometrical parameters of the subjects. As clinical application, two personalized models were developed (a healthy subject with normal gait and a subject with gait disorders (Polio pathology)). This study showed the importance of personalized modeling to evaluate and design the Polio lower limb orthoses. Second, a new class of model was proposed as meta-model (Computer-Aided Decision System) combining knowledge-based engineering methods to diagnose and guide the clinical treatment of the disorders of the musculoskeletal system of the lower limbs. The ontology, the data mining, the belief theory and the artificial intelligence were applied to develop our meta-model. Three clinical applications (rotational anomalies, clubfeet deformities, and cerebral palsy) were studied in the first version of our system. Finally, the methodological confrontation of these two modeling approaches was carried out to highlight the strengths and also the weaknesses of each modeling approach.