Étude biomécanique de la scoliose idiopathique de l'adolescent par l'équilibre énergétique du rachis et la poromécanique des tissus

par Baptiste Brun-Cottan

Thèse de doctorat en Dynamique des fluides

Sous la direction de Pascal Swider et de Franck Accadbled.


  • Résumé

    Ce travail de thèse s’inscrit dans le défi sociétal de la santé et est construit sur une approche originale interdisciplinaire en mécanobiologie. La pathologie étudiée est la scoliose idiopathique, déformation rachidienne structurelle la plus courante touchant 2 à 3% des enfants de 10 ans ou plus. Environ 10% va progresser pendant la croissance et nécessiter un traitement spécifique pouvant aller jusqu’à une chirurgie très invasive. L’aide au diagnostic, la prise en charge du patient et son suivi sont des étapes clés dans lesquelles la proposition d’une quantification objective des phénomènes liés aux altérations pathologiques soutenue par des modèles prédictifs peut apporter une contribution significative. La modélisation mécanique du rachis trouve ses limitations dans le caractère multi-échelles en espace et en temps des tissus biologiques impliqués dans la scoliose. De nombreuses études se sont attachées à comprendre les phénomènes biomécaniques à l’échelle d’un segment vertébral ou bien l’épidémiologie à l’échelle du rachis. Ces approches constituent l’essentiel des travaux disponibles, cependant, il n’existe pas de travaux combinant les deux échelles spatiales, qui sont difficilement modélisables numériquement. L'évolution temporelle de la scoliose est quant à elle principalement étudiée dans la littérature du point de vue clinique et rarement du point de vue mécanique. La méthodologie proposée dans cette thèse s'attache à prendre en compte certaines caractéristiques multi-échelles de la scoliose en s’efforçant de contourner les obstacles par l'élaboration d'un nouveau cadre théorique. L'hypothèse centrale de cette approche est que la position d’équilibre quasi-statique du rachis scoliotique dérive de la minimisation d’une énergie potentielle totale incluant les énergies de déformation des structures déformables ainsi que les efforts internes et externes. Cette modélisation a été paramétrée par des opérateurs de type tenseurs effectifs. La détermination de solutions d’équilibre a été effectuée par minimisation numérique, celle des tenseurs effectifs a été menée par l’implémentation d’une méthode numérique inverse originale par son adaptation au domaine du vivant et incluant notamment une méthode de pénalisation. Cette résolution a été réalisée à partir d’un modèle mécanique global filaire et tridimensionnel du rachis. A une sous-échelle incluant le segment vertébral, une approche poroélastique a été proposée. Cette partie du travail a permis de discuter de la notion d’échelle de temps multiples et d’établir des liens entre les échelles spatiales par le biais des torseurs d’efforts internes. L’approche heuristique a été construite par des échanges avec les informations cliniques (radiographies biplanaires), ceci en collaboration avec le service d’orthopédie pédiatrique du CHU Toulouse. La résolution d’un problème inverse sur un rachis très peu déformé a montré que les résultats obtenus étaient similaires à ceux de la littérature, validant la pertinence de ce modèle. Par ailleurs, les résolutions menées à partir d’une cohorte de patients (scolioses stables ou instables) ont permis de mettre évidence des indices évolutifs associés à l’adaptation mécanique des segments vertébraux. Ainsi, les temps de résolution des modèles numériques étant optimisés, il est possible d’envisager à court terme l’utilisation de cette nouvelle méthodologie en contexte clinique pour aider au diagnostic précoce des scolioses instables, à la rééducation adaptée et la planification chirurgicale. En perspective, grâce au modèle développé dans cette thèse, l’exploration de l’altération des propriétés de transports dans les segments pathologiques permettra d’étudier la dégénérescence discale et ainsi s’intéresser aux causes du développement de la scoliose. Ce type de recherches pourra être effectué par l’enrichissement de la méthodologie par des modèles de transports réactifs étayés par les observations cliniques.

  • Titre traduit

    Biomechanical study of adolescent idiopathic scoliosis with spine energetic equilibrium and soft tissues poromechanics


  • Résumé

    The research developed during this Ph.D thesis falls within the societal challenge on health and is based on an innovative interdisciplinary methodology in the field of mechanobiology. The studied pathology is the adolescent idiopathic scoliosis, which is the most common spine structural deformity, affecting 2 to 3% of children from 10 years old. About 10% will progress during growth and require specific treatment, which may include invasive surgery. Improvements in diagnosis techniques and patients follow-up are key objectives for which the quantification of phenomena involved in the pathology evolution supported by predictive models can bring new insight in scoliosis care. Because scoliotic spine is a multiscale problem in space and time, mechanical modeling is challenging. Many studies have focused on understanding biomechanical phenomena at the vertebral segment scale or epidemiology at the spine scale. These researches constitute the majority of the work available to date, however, to our knowledge, there is no work combining the two spatial scales, which is challenging to model numerically. The scoliosis temporal evolution is mainly studied from clinical perpectives and rarely using mechanical approaches. The methodology proposed within the framework of this thesis aimed at taking into account some of the scoliosis multiscale characteristics and attempted to circumvent these obstacles. The main assumption was that the quasi-static equilibrium position of the scoliotic spine was derived from the minimization of a total potential energy including the deformation energies of the deformable structures as well as internal and external forces. This energy model was parameterized by operators such as effective tensors. The determination of the equilibrium solution was carried out by numerical minimization. The evaluation of effective tensors was carried out by the implementation of inverse numerical techniques including penalization methods. This approach is original in the context of a clinical problem. The resolution has been performed using a global three-dimensional wireframe mechanical model of the spine. At the vertebral segment subscale, a poroelastic model has been proposed. This part of the work discussed the multiple timescale involved in scoliosis and put forward links between spatial scales through internal stress tensors. This heuristic approach was built on a constant exchange with experts in the field (pediatric orthopedics department of the Toulouse University Hospital) and validated with clinical data (biplanar radiographs). The resolution of an inverse problem on a slightly deformed spine showed that the results obtained were similar to those extracted from the literature, hence validating the relevance of this model. The resolutions carried out from a cohort of patients (stable or unstable scoliosis) highlighted evolutionary indices associated with the mechanical adaptation of the vertebral segments. Thus, the low computational cost of the optimized digital models enable us to consider, in the near future, the use of this innovative methodology in a clinical context to help in the early diagnosis of unstable scoliosis, in the choice of an appropriate rehabilitation and in the surgical planning. In perspective, based on the current model, the exploration of the alteration of transport properties in segments under pathological mechanical loading will allow us to study disc degeneration and therefore to explore scoliosis causes. To reach this objective, the current two scales approach will be enriched with reactive transport models supported by clinical observations.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Institut national polytechnique. Service commun de la documentation.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.