Vers le développement d'un jumeau numérique du doigt pour l'optimisation d'un garrot digital

Towards the development of a digital twin of the finger for the optimization of a digital tourniquet

• Auteur / Autrice : Juan José Hidalgo Diaz
• Direction : Nadia Bahlouli, Sybille Facca
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 24/01/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Bensamoun
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hamdi Jmal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Obert, Rodrigue Matadi Boumbimba

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissertation universitaire

Garrots

Jumeaux numériques

Chirurgie

Main

Mots clés libres

Garrot

Chirurgie de la main

Élastomère

Tissus mous

Jumeau numérique

Tourniquet

Hand surgery

Elastomer

Soft tissue

Digital twin

Résumé

L’utilisation d’un système d’exsanguination du membre (garrots divers) est courante en chirurgie traumatologique et orthopédique des 4 membres. Pour les urgences en chirurgie de la main, lors d’exploration de plaies de doigts, l’utilisation d’un garrot digital comme DM se justifie : (i) d’une part par l’exsanguination rapide qu’il procure,(ii) d’autre part par son indolence car il se place dans la zone localement anesthésiée. Parmi les garrots digitaux disponibles aujourd’hui, on trouve le ForgetMeNot® (FMN) produit par Arex®, un dispositif constitué d’un élastomère, la silicone Sh42 platine. Afin de bien appréhender le problème lié à l’utilisation du garrot doigt, avons réalisé une étude clinique qui porte sur la première génération de ForgetMeNot® (FMN1), pour établir son efficacité et sa réponse dans le contexte clinique en termes de facilité d’utilisation, facilité d’ablation, nécessité d’être coupé et le risque d’oubli dans le pansement. Comme conclusion de cette étude, nous avons constaté la nécessité de refaire la conception du FMN1 car il montrait des risques potentiels pour les structures anatomiques du doigt. Nous avons travaillé ensuite sur une nouvelle version, le FMN2. Mais au vu des nombreux retours cliniques, il apparaitrait qu’il sera nécessaire d’itérer plusieurs afin d’aboutir un garrot performant. Nous avons donc proposé de développé un jumeau numérique de doigt nous permettant dans un premier temps de tester numériquement différentes caractéristiques mécaniques du FMN permettant de limiter la pression de serrage pour ne pas atteindre les limites de nécroses des tissus du doigt impacté par le serrage du garrot. Ainsi, dans un premier temps, nous avons caractériser l’élastomère silicone utilisé dans le FMN, nous avons étudié les effets de la stérilisation puis nous avons caractérisé tous les tissus biologiques mous composant un doigt afin d’identifier les lois de comportement à intégrer dans un jumeau numérique. Un premier modèle numérique a donc été développé et devra être amélioré ultérieurement.

The use of a system for exsanguinating the limb (various tourniquets) is common in trauma and orthopedic surgery of the 4 limbs. For emergencies in hand surgery, when exploring finger wounds, the use of a digital tourniquet as a DM is justified: (i) on the one hand by the rapid exsanguination it provides,(ii) on the other hand by its indolence because it is placed in the locally anesthetized zone. Among the digital tourniquets available today is the ForgetMeNot® (FMN) produced by Arex®, a device made of an elastomer, silicone Sh42 platinum. In order to fully understand the problem related to the use of the finger tourniquet, we conducted a clinical study of the first generation of ForgetMeNot® (FMN1), to establish its effectiveness and response in the clinical setting in terms of ease of use, ease of removal, need to be cut and the risk of forgetting in the dressing. As a conclusion of this study, we found the need to redesign the FMN1 as it showed potential risks to the anatomical structures of the finger. We then worked on a new version of FMN. But in view of the numerous clinical feedbacks, it appeared that it would be necessary to iterate several times in order to achieve a performing FMN. We therefore proposed to develop a digital finger twin allowing us to test numerically different mechanical characteristics of the FMN to limit the clamping pressure so as not to reach the necrosis limits of the finger tissues impacted by the FMN clamping. Thus, in a first step, we characterized the silicone elastomer used in the FMN, we studied the effects of sterilization and then we characterized all the soft biological tissues composing a finger in order to identify the behavior laws to be integrated in a numerical twin. A first numerical model has been developed and will have to be improved later on.