Construction d’un modèle morpho mécanique du genou pour la prédiction des conséquences d’une action thérapeutique

Construction of a morpho mechanical model of the knee for the prediction of the biomechanical modification induced by a therapeutic action

• Auteur / Autrice : Boris Dousteyssier
• Direction : Jérôme Molimard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mecanique et ingenierie
• Date : Soutenance le 16/11/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CIS - STBio
• Jury : Président / Présidente : Marie-Hélène Lafage-Proust
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Hélène Lafage-Proust, Pascal Haigron, Pierre Vacher, Yoann Lafon-Jalby, Woo-Suck Han, Chafiaa Hamitouche-Djabou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Haigron, Pierre Vacher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arthrose

Éléments finis, Méthode des

Imagerie médicale

Genou

Mots clés libres

Genou

Imagerie EOS

Recalage 3D sur 2D

Analyse par éléments finis

Modèle patient-spécifique

Validation expérimentale

Knee

EOS imaging

3D over 2D fusion

Finite element analysis

Patient specific model

Experimental validation

Résumé

Afin d’étudier la question de l’usure du genou et de la douleur lors du développement de l’arthrose, relié à la fois aux pressions sur les cartilages et la stabilité du genou, un modèle de l’articulation du genou a été créé. Cette étude propose une approche mixte, utilisant à la fois des imageries médicales (IRM, système EOS) et un capteur de force en conjonction avec un modèle EF. Deux modèles EF ont été créés ici, se focalisant sur la stabilité passive du genou lors de la recréation d’un processus expérimental : la décomposition en 4 images EOS statiques du mouvement de montée de marche d’escalier. Pour ce faire, un modèle géométrique du genou du sujet a été recalé sur la position physiologique des os obtenue par les images EOS. Les conditions aux limites expérimentales ont été ajoutées et la simulation numérique a été menée jusqu’à ce que l’équilibre mécanique global soit atteint. Ensuite la position simulée des os a pu être comparée avec la position expérimentale, et les surfaces de pression et les contraintes dans les ligaments été obtenues.Pour des angles de flexion faibles les modèles montrent une très bonne concordance avec les données expérimentales mesurées, les os étant dans leur position physiologique une fois l’équilibre mécanique atteint. Les résultats pour des angles de flexion plus importants restent satisfaisants et sont prometteurs, indiquant des pistes claires d’amélioration du modèle.

Knee degradation and pain when developing osteoarthritis are strongly related not only to the pressure on the cartilage, but also to the knee stability and to the subsequent loadings on the ligaments. Here, we propose a mixed approach, both using medical imaging (MRI, EOS X-ray system) and force platform in conjunction with a finite element model.Two finite element model were created, focusing on the passive stability of the knee while modelling an experiment: the acquisition of the movement of climbing a step decomposed in 4 static EOS images. To do so, a geometric model of the subject’s knee have been fused on the bone physiological positions obtained by EOS imaging. The FEA was carried out according to the experimental boundary conditions so as to ensure the global knee mechanical equilibrium. This allow the model to be validated by comparing its numerical results with the EOS data. This model will reveal the roles of the ligaments during the knee flexion and give pressure maps on the cartilages.For low flexion angles, both models’ results concord well with the experimental data: the bones are in their physiological position once the mechanical equilibrium reached. For higher flexion angles the results are satisfying and promising, showing clear ways to improve the models.