Développement de dispositifs de mesures biomécaniques pour l’aide à la conception des orthèses articulaires patient-spécifique

Development of biomechanical measurement devices to aid in the design of patient-specific joint orthoses

• Auteur / Autrice : Khouloud Achouri
• Direction : Gregory Chagnon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 22/06/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l’ingénierie médicale et de la complexité - Informatique, mathématiques et applications (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Nougier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Gornet, Hervé Louche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse en composantes principales

Articulations

Amplitude articulaire

Orthèses

Mots clés libres

Orthèse

Moment de flexion maximal

Forces de correction

Articulation

Acp

Patient-Spécifique

Orthosis

Maximum bending moment

Correction forces

Joint

Pca

Patient-Specific

Résumé

L’orthèse est un dispositif médical qui permet de compenser, soutenir ou protéger une partie du corps. Jusqu’à ce jour, les orthèses articulaires sont réalisées avec une méthode empirique, utilisant des matériaux rigides qui bloquent toute articulation dans une position donnée, ce qui procure un inconfort aux patients. La conception d'orthèses souples à propriétés adaptées présente cependant une difficulté : il est difficile de définir une souplesse de l'orthèse pour être adaptée à tous les patients. L'orthèse souple doit être patient-spécifique, conçue à partir d'informations sur les capacités physiques de chaque patient. L’objectif de ce travail de thèse est de fournir des moyens expérimentaux de mesures biomécaniques qui permettront à terme de concevoir de nouvelles orthèses patient-spécifique. Comme il est plus facile d'étudier un système à un seul degré de liberté qu'un système à plusieurs degrés de liberté, nous avons choisi de travailler d’abord sur un système simple tel que le doigt pour finir avec un système complexe tel que le tronc. Les travaux de cette thèse sont donc divisés essentiellement en deux grandes parties : mesures biomécaniques du doigt et mesures biomécaniques du tronc.Pour le doigt, nous avons conçu un système expérimental capable de mesurer les moments de flexion maximaux dans l’articulation InterPhalangienne Proximale (IPP), en fonction de la configuration angulaire. Il a été démontré que le moment de flexion maximal dépend à la fois des spécifications du sujet, de l’angle de l’IPP et du sexe. Par contre, les mesures cliniques observées contiennent de bruits qui faussent les données. Grâce à la méthode statistique ACP, nous avons pu mettre en place un outil qui servira à filtrer les bruits des mesures prises par le concepteur de l’orthèse patient-spécifique.Concernant l’étude sur le tronc, un dispositif a été développé pour déterminer les forces de corrections imposées par un corset sur le tronc d’un sujet scoliotique en lien avec la valeur de la correction appliquée. Il est capable de donner un ordre de grandeur de force. Cependant, les erreurs engendrées par les capteurs utilisés limitent la fiabilité du système. Dans le but d’améliorer le système, il est nécessaire d’utiliser d’autres types de capteurs.Les deux dispositifs conçus pour le doigt et le tronc permettent de fournir des mesures biomécaniques nécessaires pour la conception de nouvelles orthèses souples patient-spécifiques. Ces mesures seront utilisées comme données d’entrée dans la modélisation numérique de l’orthèse afin de déterminer ses propriétés mécaniques et le choix de matériau adéquat.

The orthosis is a medical device that compensates, supports or protects a part of the body. Nowadays, joint orthoses have been made using an empirical method, using rigid materials that block any joint in a given position, causing discomfort to patients. However, the design of flexible orthosis with adapted properties presents a difficulty: define a flexibility which is suitable for all patients at once. The flexible orthosis must be patient-specific, designed from information about the physical capabilities of each patient. The goal of this thesis work is to provide experimental means of biomechanical measurements that will ultimately allow the design of new patient-specific orthotics. As it’s easier to study a system in 1DOF than a system with multi-degree-of-freedom, we chose to work first on a simple system such as the finger to end with a complex system such as trunk. Therefore, this work is essentially divided into two main parts: biomechanical measurements of the finger and biomechanical measurements of the trunk.For the finger, we have designed an experimental system capable of measuring the maximum bending moments in the Proximal InterPhalangeal Joint (PIP), as a function of the angular configuration. It has been shown that the maximum bending moment depends simultaneously on subject specification, PIP angle, and gender. On the other hand, the clinical measurements observed contain noises which distort the data. Thanks to the ACP statistical method, we were able to set up a tool which filter the noise of the measurements taken by the designer of the patient-specific orthosis.Regarding the trunk study, a device was developed to determine the correction forces imposed by a corset on the trunk of a scoliotic subject in relation to the value of the applied correction. He’s able to give an order of magnitude of force. However, the errors generated by the used sensors limit the reliability of the system. In order to improve the system, it’s necessary to use other types of sensors.The two devices designed for the finger and the trunk provide biomechanical measurements which are necessary for the design of new patient-specific flexible orthotics. These measurements will be used as input data in the digital modeling of the orthosis to determine its mechanical properties and the choice of suitable material.