Mécano-biologie de la croissance crânienne : application aux craniosténoses

Mechanobiology of craniofacial growth : applications in craniosynostosis

• Auteur / Autrice : Florian Jalbert
• Direction : Pascal Swider, Frédéric Lauwers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux-G3M
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Craniosténose

Biomécanique

Croissance

Crâne

Mots clés libres

Biomécanique

Croissance craniofaciale

Suture métopique

Trigonocéphalie

Morphogénèse

Craniosténose

Mécanobiologie

Modèle éléments-finis

Résumé

Virchow a établit, en 1851, une loi empirique permettant d'expliquer les anomalies de croissance consécutives à une synostose crânienne prématurée. L'explication observationnelle qu'il propose établit que l'altération du potentiel de croissance d'une suture synostosée va entraîner une restriction de croissance perpendiculaire à cette dernière. La quasi-totalité des craniosténoses non-syndromiques semblent effectivement répondre au principe de cette loi toujours communément admise. Cependant, dans le cas de la trigonocéphalie (synostose de la suture métopique), cette explication n'est pas suffisante, selon nous, pour expliquer la morphologie très caractéristique en '' proue de bateau '' de l'avant crâne. Partant de l'hypothèse que des phénomènes mécaniques osseux locaux pourraient en être la cause, notre travail s'est attaché à l'étude biomécanique de la voûte crânienne de l'enfant en croissance. Une classification est tout d'abord proposée pour permettre de classer la sévérité de la déformation triangulaire du front observée dans les trigonocéphalies. Afin de valider et d'analyser les phénomènes décrits par Virchow, une étude de caractérisation mécanique de sutures sténosées a été réalisée, complétée par un modèle numérique basé sur la méthode des éléments finis d'un crâne de nouveau-né. La géométrie a été simplifiée pour permettre de développer des analyses de sensibilités paramétriques. Ce modèle simule la conséquence de la synostose suturaire sur la répartition des contraintes mécaniques osseuses lors de la poussée de croissance encéphalique par un processus non-linéaire de comportement. Dans le cas particulier de la trigonocéphalie, les résultats montrent une anomalie de répartition de ces contraintes sur la suture métopique en cas de sténose précoce, qui pourrait être une explication complémentaire à l'aplatissement des deux os frontaux et à la résultante morphologique triangulaire de l'avant-crâne.

In 1851, Virchow establishes an empirical law to explain the anomalies of growth in premature cranial synostosis. Observational explanation he offers, established that the alteration of the growth potential of the affected suture will lead to growth restriction perpendicular to it. Almost all non-syndromic craniosynostosis seem effectively to be in addequation with this principle, still commonly accepted. However, in the case of trigonocephaly (synostosis of the metopic suture), this explanation is not sufficient in our opinion to explain the very characteristic traingular morphology of the forehead. Assuming that local bone mechanical phenomena could be the cause, our work has focused on the biomechanical study of the skull of the growing child. A classification is first proposed to allow to assess the severity of the triangular deformation of the forehead observed in trigonocephaly. To validate and analyze the phenomena described by Virchow, a study of mechanical characterization of stenotic suture was performed, supplemented by a numerical finite element model of the skull of a newborn. This model simulates the result of sutural synostosis on the distribution of bone mechanical stress during the brain growth spurt. Thus, in trigonocephaly, we noticed an abnormal distribution of strain on the metopic suture in cases of early stenosis, which could be an additional explanation for the flattening of the two frontal bones and triangular morphology resulting of the forehead.