Contribution à la modélisation musculosquelettique personnalisée du membre inférieur par éléments finis

CONTRIBUTION TO PERSONALIZED FINITE ELEMENT BASED MUSCULOSKELETAL MODELING OF THE LOWER LIMB

• Auteur / Autrice : Bhrigu Lahkar
• Direction : Wafa Skalli, Patricia Thoreux, Christian Pierre-Yves Rohan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique (AM)
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Paris ; 2013-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Yohan Payan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wafa Skalli, Patricia Thoreux, Christian Pierre-Yves Rohan, Sébastien Lustig, Valentina Camomilla, Patrick Lacouture
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yohan Payan, Sébastien Lustig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Membre inférieur

Études de cas

Amplitude articulaire

Mots clés libres

Modélisation personnalisée

Éléments finis

Articulation du genou

Artefact des tissus mous

Biomécanique

Radiographie biplanaire

Subject-Specific modeling

Finite Element analysis

Soft Tissue Artifact

Knee joint

Biomechanics

Biplanar X-Ray

Résumé

Le trouble musculosquelettique du membre inférieur est l'un des fardeaux de santé les plus courants pouvant entraîner une déficience fonctionnelle chez un individu. Bien que diverses options de gestion opérationnelle soient disponibles, il ne semble pas y avoir unanimité sur une procédure particulière qui servirait au mieux les intérêts de tous. Pour évaluer objectivement les troubles et planifier efficacement les interventions chirurgicales, il est essentiel de comprendre la biomécanique des membres inférieurs dans des conditions de charge physiologique. Avec cette motivation, ce travail de thèse vise à développer un cadre complet de modélisation musculosquelettique du membre inférieur basé sur les éléments finis. La première phase du travail de thèse est axée sur le développement et l'évaluation de modèles personnalisés d'éléments finis en flexion passive. De nouvelles approches sont proposées et évaluées pour le développement rapide de modèles axés sur la géométrie et les propriétés des ligaments. Dans la deuxième phase, une nouvelle approche basée sur les éléments finis pour la compensation des artefacts des tissus mous est proposée et évaluée. Cette contribution a permis de compenser efficacement les artefacts des tissus mous dans l'analyse du mouvement en tenant compte de la spécificité du sujet. La troisième phase du travail de thèse est consacrée à l'application clinique, où l'utilité du système radiographique biplan dans l'évaluation de l'alignement des implants de l'arthroplastie totale du genou est brièvement explorée. Dans l'ensemble, ce travail de thèse peut aider à estimer et à comprendre avec précision la biomécanique des membres inférieurs dans des conditions de charge cliniquement pertinentes, et à rapprocher le modèle de la routine clinique.

Musculoskeletal disorder of the lower limb is one of the most common health burdens that may lead to functional impairment in an individual. Although various operative management options are available, there seems no unanimity on a particular procedure that serves the best. To objectively assess disorders and effectively plan surgeries, it is essential to understand lower limb biomechanics under physiological loading conditions. With that motivation, this PhD aims to develop a comprehensive finite element based musculoskeletal modeling framework of the lower limb. The first phase of the PhD focuses on the development and evaluation of subject-specific finite element models under passive flexion. Novel approaches are proposed and evaluated for fast model development focusing on geometry and ligament properties. In the second phase, a novel finite element based approach for soft tissue artifact compensation is proposed and evaluated. This contribution allowed to effectively compensate for soft tissue artifact in motion analysis by taking subject specificity into account. The third phase of the PhD is dedicated to clinical application, where the utility of the biplanar X-ray system in evaluating Total Knee Arthroplasty implant alignment is briefly explored. Overall, this PhD may help to accurately estimate and understand lower limb biomechanics under clinically relevant loading conditions, and bring the model a step closer to clinical routine.