Analyse des structures internes du pied par traitement d'images rayons X et modélisation éléments finis

Analysis of the foot's internal structures by X-ray image processing and finite element modeling

• Auteur / Autrice : Nicolas Kroupa
• Direction : Jérôme Molimard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Ingénierie
• Date : Soutenance le 29/03/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure des mines (Saint-Etienne ; 1816-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Ingénierie et Santé / CIS-ENSMSE
• Jury : Président / Présidente : Yohan Payan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Molimard, Yohan Payan, Amit Gefen, Raphaël Dumas, Woo-Suck Han, Laura Bouten, Julien Pansiot, Baptiste Pierrat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amit Gefen, Raphaël Dumas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Biomécanique

Rayons X

Pied

Mots clés libres

Pied

Biomécanique

Rayon-X

Recalage rigide & non-rigide

Elément finis

Modèle spécifique au patient

Foot

Biomechanics

X-ray

Rigid & non-rigid registration

Finite element

Patient specific model

Résumé

Le pied est une structure anatomique complexe constituée de nombreux os entourés d'une variété de tissus. Par son rôle de maintien et de déplacement du corps, il est exposé à toute une série de sollicitations mécaniques qui vont déformer sa structure.Pour étudier la biomécanique du pied en accédant à des mesures internes, deux approches sont ici couplées, l'une expérimentale et l'autre numérique. Une première étude a été réalisée pour : (1) effectuer des tests mécaniques sur une série de pieds ex-vivo avec et sans chaussures dans un scanner tomographique à rayons X et (2) développer et mettre en œuvre de traitements numériques appliqués à ces acquisitions pour obtenir des observations du comportement interne au pied. La comparaison de ces comportements entre les configurations avec chaussures et pieds nus a permis une première mesure de l'influence de la chaussure sur des mesures internes au pied. Une deuxième étude utilise ces données capturées pour proposer un calibrage de modèles éléments finis spécifiques aux pieds des patients. Cette calibration, en utilisant une méthode inverse pour identifier la rigidité passive des ligaments & muscles, améliore la justesse des modèles. Finalement, une troisième étude exploitera un modèle ainsi calibré en l'exposant à une foulée de course tout en portant un exemplaire d'une chaussure dont les paramètres de conception varieront. Les influences de ces paramètres sont mesurées et peuvent constituer un premier ensemble d'indications pour ajuster la conception de la chaussure.

The foot is a complex anatomical structure consisting of many bones surrounded by a variety of tissues. By its role of supporting and moving the body, it is exposed to a whole series of mechanical loads that will deform its structure. To study the biomechanics of the foot by accessing internal measurements, two approaches are coupled here, one experimental and the other numerical. A first study was carried out to: (1) perform mechanical tests on a series of ex-vivo feet with and without shoes in an X-ray tomographic scanner and (2) develop and implement numerical treatments applied to these acquisitions to obtain observations of the internal behavior of the foot. The comparison of these behaviors between shod and barefoot configurations allowed a first measurement of the shoe's influence on internal foot measurements. A second study uses these captured data to propose a calibration of patient specific finite element models of the feet. This calibration, using an inverse method to identify the passive rigidity of the ligaments & muscles, improves the accuracy of the models. Finally, a third study will exploit a model thus calibrated by exposing it to a running stride while wearing a specimen of a shoe whose design parameters will vary. The influences of these parameters are measured and can constitute a first set of indications to adjust the design of the shoe.