Optimisation et conception d’une prothèse de membre inférieur : matériaux, simulations et prototypage

par Kim Thanh Nguyen

Thèse de doctorat en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Lahouari Benabou et de Abderraouf Benali.

Le président du jury était Olivier Bruneau.

Le jury était composé de Olivier Bruneau, Gérard Poisson, M'hamed Sahnoun, Sophie Sakka.

Les rapporteurs étaient Gérard Poisson, M'hamed Sahnoun.


  • Résumé

    Il est proposé dans ce travail de doctorat de développer une conception optimale adaptée à la fabrication additive, y compris en utilisant des matériaux composites et en développant des méthodes pour caractériser les matériaux/structures réalisés (banc de test, simulation éléments finis). Ce travail pourra alors être appliqué pour concevoir une prothèse pour membre inférieur, répondant aux exigences en termes de résistance des matériaux et de compatibilité/interaction avec l'humain. Les simulations éléments finis seront réalisées pour améliorer la conception et tester la structure sous différents cas de charge.Les travaux reposent sur des simulations numériques mais aussi sur des expériences. Aujourd'hui, les simulations numériques se sont fortement développées parallèlement à la fabrication additive et à la science des matériaux. Ces nouvelles méthodes permettent d’innover dans la domaine de la conception des prothèses. Par exemple, la combinaison de la simulation numérique et de l'optimisation associée à l’utilisation de matériaux innovants, peut permettre de concevoir des systèmes prosthétiques avec les propriétés souhaitées pour recouvrir les fonctions dégradées du patient.Des travaux expérimentaux sont menés afin d'identifier l'interaction entre l'emboîture prothétique et le moignon. La pression de contact de la souche et la contrainte de la douille sont mesurées à l’aide du circuit électronique. L'emboîture prothétique est fabriquée en utilisant une technique de fabrication additive. Le modèle du moignon est également conçu et fabriqué sur la base de la fabrication additive. Une couche de silicone de 1 cm d'épaisseur est placée sur la surface externe du modèle de moignon pour reproduire la peau humaine.

  • Titre traduit

    Optimization and design of lower-limb prosthesis : materials, simulations and prototyping


  • Résumé

    It is proposed in this PhD work to develop an optimal design of a prosthetic part suitable for additive fabrication, based on material engineering and structural design, as well as manufacturing and testing/characterization. The objective is to find a way to obtain a functional prosthesis satisfying all the operational requirements in terms of material strength and human/structure matching. Finite element-based simulations will also be carried out to help in the design process.The work focuses first on numerical simulations than on experiments. Today, numerical simulations have developed strongly alongside additive manufacturing and materials science. These new methods make it possible to innovate in the field of prosthesis design. For example, the combination of numerical simulation and optimization associated with the use of innovative materials, allow designing prosthetic systems with the desired properties to cover the degraded functions of the patient.Experimental work is carried out to identify the interaction between the prosthetic socket and the stump. The stump’s contact pressure and the socket’s stress are measured by using the electronic circuit. The prosthetic socket is fabricated by using additive manufacturing technique. The stump model is also designed and manufactured based on additive fabrication and a 1cm-silicone layer is added on the outer surface of the stump.Keyword: FE Simulation, Additive Fabrication, Composites, Optimization


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