Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Modélisation du changement de posture du rachis pour des applications en biomécanique

Laboratoire principal - Référent principal TS2 - LBMC  -  LAFON-JALBY Yoann      tél. : +33 472655476/ 06 07 06 22 51

Directeur du laboratoire principal MITTON David  -

Spécialité de la thèse mécanique, biomécanique

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Bron

Etablissement d'inscription UNIVERSITE CLAUDE-BERNARD-LYON 1

Ecole doctorale MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)

Directeur de thèse prévu BEILLAS Philippe  -  Université Gustave Eiffel  -  TS2 - LBMC

Co-directeur de thèse prévu LAFON-JALBY Yoann  -    -

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte :
Souvent basés sur la méthode des éléments finis (EF), des modèles numériques de la colonne vertébrale (ou rachis) sont actuellement utilisés dans plusieurs domaines de la biomécanique. Par exemple :
• En orthopédie, pour étudier les techniques de fixation de segments lombaires [9], cervicaux [8] ou sacro-iliaque [7] en cas d’instabilité ou de douleur.
• En ergonomie et santé au travail, pour estimer la pression dans les disques intervertébraux et le risque de douleur [2, 4] dû à des chargements répétés au travail ou dans les transports (exemple : norme ISO 2631-5 2018)
• En crash, pour étudier le risque de lésions lombaires qui pourrait être associé à de nouvelles postures dans de futurs véhicules automatisés et pour prédire le risque de sous marinage (e.g. [5]). Le LBMC conduit actuellement des travaux sur la modélisation du rachis lombaire pour le GHBMC (www.ghbmc.com).

Dans tous ces cas, la posture du rachis est un paramètre important. Pour l’orthopédie, elle affecte l’équilibre sagittal et la compensation posturale après une fixation lombaire pour limiter le risque de douleurs [6]. Pour la santé au travail, la norme ISO 2631-2018 suggère un effet postural sur le risque de douleurs. Pour le crash, une posture lombaire plus relaxée augmente le risque de sous marinage (e.g. [5]) et la posture affecte aussi la tolérance à la fracture [3].

Si la posture associée à différentes activités a largement été étudiée et des méthodes de prédiction posturale ont été développées (e.g. [10]), le changement de posture et sa biomécanique sont mal pris en compte dans les modèles EF. Il y a un manque de connaissance sur :
• L’état de précharge des structures anatomiques de la colonne : la posture affecte les déformations initiales et la tension initiale dans les ligaments et les fibres des disques intervertébraux, le chargement des facettes articulaires ainsi que la mobilité restante avant rupture en cas de chargement extrême. Peu de données expérimentales sont disponibles.
• La méthode pour tenir compte des changements d’état initial dans les modèles (ex : en changeant les propriétés des matériaux, les déformations ou contraintes initiales, etc.), et comment un modèle devrait être conçu et validé pour les prendre en compte.
• Les méthodes numériques pour changer la posture de modèles EF déformables : elles sont beaucoup plus complexes que pour des modèles multi-corps rigides. De plus, le maillage des structures adjacentes (disques, organes, tissus mous etc.) doit suivre le changement en conservant une qualité suffisante. Ceci rend les changements difficiles pour la plupart des utilisateurs, malgré des travaux récents (incluant les outils open source PIPER auquel le LBMC participe activement, www.piper-project.org).

Les simulations sont donc souvent réalisées dans des postures différentes des références expérimentales, tout en négligeant les déformations et contraintes initiales. Ceci limite la capacité de prédictiondes modèles en lien avec le confort, les ruptures d’implant, la dégénération discale et la prédiction du risque lésionnel. Ceci a été récemment illustré pour le cou par Boakye-Yadom et al. (2018) [1].

Objectifs
La recherche visera à améliorer les modèles de rachis en prenant mieux en compte les effets de changement de posture. Les travaux se focaliseront sur la colonne lombaire inclus dans des modèles corps complet.
La recherche portera à la fois sur les verrous de connaissance (ex : état initial de précharge des tissus) et les verrous méthodologiques (modélisation de mise en position et la précharge).
Les résultats amélioreront la capacité de prédiction des modèles de colonne dans divers domaines. Des applications en confort/santé au travail, crash et orthopédie serviront de démonstrateurs pour le développement des méthodologies.

Approche
L’approche combinera expérimentation, simulation et travail logiciel.
Une étude expérimentale sur spécimens isolés étudiera l’état mécanique de composants anatomiques (ex : ligaments, disques) en fonction de la posture. L’utilisation d’un bras robotique permettra d’appliquer et de reproduire précisément diverses postures. Des mesures locales (ex : jauges de déformation, pression, déformation de surface) seront aussi réalisées. L’étude sera préparée en conduisant une étude de sensibilité à l’aide de modèles EF disponibles au laboratoire (modèles GHBMC et PIPER).
Les essais seront simulés à l’aide de modèles personnalisés dérivés du modèle PIPER. Ce dernier sera amélioré pour faciliter sa personnalisation et sa mise en position. Différentes approches de modélisation de l’état initial dans les tissus seront comparées et utilisées dans trois cas d’étude en lien avec :
(1) les douleurs lombaires (scénario : chargement répété pour un chauffeur de bus lors de passage de ralentisseurs et comparaison avec la norme 2631-5 2018 sur la prédiction du risque),
(2) le choc (scénario : effet de la modélisation de la colonne sur la prédiction du risque en cas de position semi-allongées)
(3) l’orthopédie (scénario à confirmer : reproduction de la posture rachidienne après chirurgie de fixation lombaire à partir de radiographies pré & post-opératoires EOS).

La personnalisation et le positionnement des modèles de rachis se baseront sur le logiciel PIPER. Des améliorations dans l’outil de positionnement seront apportées au besoin pour mieux contraindre (1) la courbure lombaire et l’orientation du bassin, et (2) le volume des tissus mous.

Le travail s’appuiera sur des résultats et outils disponibles au LBMC (ex : modèles, outils PIPER, bras robotique, scénarios d’application, etc.) de manière à ce que la recherche se focalise sur la modélisation de la posture.

Résultats attendus
L’amélioration de la capacité de prédiction des modèles sera illustrée dans trois cas tests. De plus, la recherche conduira à :
• De nouvelles connaissances sur l’état initial des tissus qui pourront être utilisées pour l’évaluation de modèles,
• Des recommandations pour modéliser la posture initiale (géométrie et état mécanique) ainsi qu’un modèle personnalisable de rachis lombaire les implémentant (licence open source).
• Une amélioration des outils PIPER pour le positionnement de la colonne (aussi open source).
Chacun de ces résultats pourra faire l’objet d’une publication séparée.

Compétences scientifiques à l’issue de la thèse
Le candidat acquerra des connaissances et méthodologies essentielles dans divers domaines en lien avec la biomécanique (crash, ergonomie, orthopédie), à la fois sur des aspects numériques et expérimentaux.

Disciplines
La discipline principale sera la mécanique, avec des aspects numériques et expérimentaux. L’informatique / méthodes numériques sera une discipline secondaire.

Profil idéal
Idéalement, le(la) candidat(e) disposera d’un diplôme en Mécanique, d’une expérience en simulation et d’un fort intérêt pour la biomécanique numérique et expérimentale. Un intérêt pour la programmation (C++) serait un plus.
Un profil avec un diplôme en informatique appliquée et un fort intérêt pour la biomécanique pourra aussi être considéré.

Équipe d’encadrement
Elle sera composée de Yoann Lafon (Maître de Conférence, biomécanique pour l’orthopédie, méthodes numériques, personnalisation de modèles EF) et Philippe Beillas (Directeur de recherche, HDR, biomécanique de chocs numérique et expérimentale, animateur du projet PIPER, en charge de l’abdomen et de la colonne lombaire pour le GHBMC). Sur les aspects expérimentaux, elle sera renforcée par Bertrand Fréchède (Maître de Conférence) qui a développé des méthodes d’essais sur rachis à l’aide d’un bras robot. Une collaboration avec un doctorant en modélisation du confort supervisé par Xuguang Wang (Directeur de Recherche Ifsttar) sera possible. Une collaboration avec l’équipe « Imagerie et personnalisation » du LIA EVASYM (coll. Lyon-Montréal) est envisagée pour le cas test Orthopédie/Santé. Enfin, Bertrand Richard (Ingénieur de Recherche en informatique) sera impliqué aussi sur les aspects programmation et outils.

Références
[1] Boakye-Yiadom S, et al (2018) On the importance of retaining stresses and strains in repositioning computational biomechanical models of the cervical spine. Int. J. for Num. Meth. in Biomed. Eng., 34(1).
[2] Claus et al. (2008) Sitting versus standing: Does the intradiscal pressure cause disc degeneration or low back pain? J of Electromyography and Kinesiology, 18(4) 550-558.
[3] Curry, et al. (2016) Lumbar spine endplate fractures: Biomechanical evaluation and clinical considerations through experimental induction of injury. J. of Orthopaedic Research, 34(6), 1084–1091.
[4] Dreischarf et al. (2016) Estimation of loads on human lumbar spine: A review of in vivo and computational model studies. J Biomech. 11;49(6):833-845.
[5] Grébonval et al. (2019) Occupant response in frontal crash, after alterations of the standard driving position. Ircobi Conf. Florence, Italy.
[6] Le Huec et al. (2015) Evidence showing the relationship between sagittal balance and clinical outcomes in surgical treatment of degenerative spinal diseases: a literature review. Int Orthop. 39(1):87-95.
[7] Lindsey et al. (2018) Sacroiliac joint stability: Finite element analysis of implant number, orientation, and superior implant length. World J Orthop. 9(3): 14-23.
[8] Mackiewicz et al. (2016) Comparative studies of cervical spine anterior stabilization systems--Finite element analysis. Clin Biomech Feb;32:72-9.
[9] Más et al. (2017) Finite element simulation and clinical follow-up of lumbar spine biomechanics with dynamic fixations. PLoS ONE 12(11).
[10] Nerot et al. (2016) A Principal Component Analysis of the Relationship between the External Body Shape and Internal Skeleton for the Upper Body. J. of Biomech. 49, no. 14.

Mots-clefs: Mécanique, Biomécanique, méthodes numériques, rachis lombaire, Sécurité, Ergonomie, Santé

Laboratoire principal - Référent principal	TS2 - LBMC - LAFON-JALBY Yoann tél. : +33 472655476/ 06 07 06 22 51
Directeur du laboratoire principal	MITTON David -
Spécialité de la thèse	mécanique, biomécanique
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Bron
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE CLAUDE-BERNARD-LYON 1
Ecole doctorale	MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)
Directeur de thèse prévu	BEILLAS Philippe - Université Gustave Eiffel - TS2 - LBMC
Co-directeur de thèse prévu	LAFON-JALBY Yoann - -
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Contexte : Souvent basés sur la méthode des éléments finis (EF), des modèles numériques de la colonne vertébrale (ou rachis) sont actuellement utilisés dans plusieurs domaines de la biomécanique. Par exemple : • En orthopédie, pour étudier les techniques de fixation de segments lombaires [9], cervicaux [8] ou sacro-iliaque [7] en cas d’instabilité ou de douleur. • En ergonomie et santé au travail, pour estimer la pression dans les disques intervertébraux et le risque de douleur [2, 4] dû à des chargements répétés au travail ou dans les transports (exemple : norme ISO 2631-5 2018) • En crash, pour étudier le risque de lésions lombaires qui pourrait être associé à de nouvelles postures dans de futurs véhicules automatisés et pour prédire le risque de sous marinage (e.g. [5]). Le LBMC conduit actuellement des travaux sur la modélisation du rachis lombaire pour le GHBMC (www.ghbmc.com). Dans tous ces cas, la posture du rachis est un paramètre important. Pour l’orthopédie, elle affecte l’équilibre sagittal et la compensation posturale après une fixation lombaire pour limiter le risque de douleurs [6]. Pour la santé au travail, la norme ISO 2631-2018 suggère un effet postural sur le risque de douleurs. Pour le crash, une posture lombaire plus relaxée augmente le risque de sous marinage (e.g. [5]) et la posture affecte aussi la tolérance à la fracture [3]. Si la posture associée à différentes activités a largement été étudiée et des méthodes de prédiction posturale ont été développées (e.g. [10]), le changement de posture et sa biomécanique sont mal pris en compte dans les modèles EF. Il y a un manque de connaissance sur : • L’état de précharge des structures anatomiques de la colonne : la posture affecte les déformations initiales et la tension initiale dans les ligaments et les fibres des disques intervertébraux, le chargement des facettes articulaires ainsi que la mobilité restante avant rupture en cas de chargement extrême. Peu de données expérimentales sont disponibles. • La méthode pour tenir compte des changements d’état initial dans les modèles (ex : en changeant les propriétés des matériaux, les déformations ou contraintes initiales, etc.), et comment un modèle devrait être conçu et validé pour les prendre en compte. • Les méthodes numériques pour changer la posture de modèles EF déformables : elles sont beaucoup plus complexes que pour des modèles multi-corps rigides. De plus, le maillage des structures adjacentes (disques, organes, tissus mous etc.) doit suivre le changement en conservant une qualité suffisante. Ceci rend les changements difficiles pour la plupart des utilisateurs, malgré des travaux récents (incluant les outils open source PIPER auquel le LBMC participe activement, www.piper-project.org). Les simulations sont donc souvent réalisées dans des postures différentes des références expérimentales, tout en négligeant les déformations et contraintes initiales. Ceci limite la capacité de prédictiondes modèles en lien avec le confort, les ruptures d’implant, la dégénération discale et la prédiction du risque lésionnel. Ceci a été récemment illustré pour le cou par Boakye-Yadom et al. (2018) [1]. Objectifs La recherche visera à améliorer les modèles de rachis en prenant mieux en compte les effets de changement de posture. Les travaux se focaliseront sur la colonne lombaire inclus dans des modèles corps complet. La recherche portera à la fois sur les verrous de connaissance (ex : état initial de précharge des tissus) et les verrous méthodologiques (modélisation de mise en position et la précharge). Les résultats amélioreront la capacité de prédiction des modèles de colonne dans divers domaines. Des applications en confort/santé au travail, crash et orthopédie serviront de démonstrateurs pour le développement des méthodologies. Approche L’approche combinera expérimentation, simulation et travail logiciel. Une étude expérimentale sur spécimens isolés étudiera l’état mécanique de composants anatomiques (ex : ligaments, disques) en fonction de la posture. L’utilisation d’un bras robotique permettra d’appliquer et de reproduire précisément diverses postures. Des mesures locales (ex : jauges de déformation, pression, déformation de surface) seront aussi réalisées. L’étude sera préparée en conduisant une étude de sensibilité à l’aide de modèles EF disponibles au laboratoire (modèles GHBMC et PIPER). Les essais seront simulés à l’aide de modèles personnalisés dérivés du modèle PIPER. Ce dernier sera amélioré pour faciliter sa personnalisation et sa mise en position. Différentes approches de modélisation de l’état initial dans les tissus seront comparées et utilisées dans trois cas d’étude en lien avec : (1) les douleurs lombaires (scénario : chargement répété pour un chauffeur de bus lors de passage de ralentisseurs et comparaison avec la norme 2631-5 2018 sur la prédiction du risque), (2) le choc (scénario : effet de la modélisation de la colonne sur la prédiction du risque en cas de position semi-allongées) (3) l’orthopédie (scénario à confirmer : reproduction de la posture rachidienne après chirurgie de fixation lombaire à partir de radiographies pré & post-opératoires EOS). La personnalisation et le positionnement des modèles de rachis se baseront sur le logiciel PIPER. Des améliorations dans l’outil de positionnement seront apportées au besoin pour mieux contraindre (1) la courbure lombaire et l’orientation du bassin, et (2) le volume des tissus mous. Le travail s’appuiera sur des résultats et outils disponibles au LBMC (ex : modèles, outils PIPER, bras robotique, scénarios d’application, etc.) de manière à ce que la recherche se focalise sur la modélisation de la posture. Résultats attendus L’amélioration de la capacité de prédiction des modèles sera illustrée dans trois cas tests. De plus, la recherche conduira à : • De nouvelles connaissances sur l’état initial des tissus qui pourront être utilisées pour l’évaluation de modèles, • Des recommandations pour modéliser la posture initiale (géométrie et état mécanique) ainsi qu’un modèle personnalisable de rachis lombaire les implémentant (licence open source). • Une amélioration des outils PIPER pour le positionnement de la colonne (aussi open source). Chacun de ces résultats pourra faire l’objet d’une publication séparée. Compétences scientifiques à l’issue de la thèse Le candidat acquerra des connaissances et méthodologies essentielles dans divers domaines en lien avec la biomécanique (crash, ergonomie, orthopédie), à la fois sur des aspects numériques et expérimentaux. Disciplines La discipline principale sera la mécanique, avec des aspects numériques et expérimentaux. L’informatique / méthodes numériques sera une discipline secondaire. Profil idéal Idéalement, le(la) candidat(e) disposera d’un diplôme en Mécanique, d’une expérience en simulation et d’un fort intérêt pour la biomécanique numérique et expérimentale. Un intérêt pour la programmation (C++) serait un plus. Un profil avec un diplôme en informatique appliquée et un fort intérêt pour la biomécanique pourra aussi être considéré. Équipe d’encadrement Elle sera composée de Yoann Lafon (Maître de Conférence, biomécanique pour l’orthopédie, méthodes numériques, personnalisation de modèles EF) et Philippe Beillas (Directeur de recherche, HDR, biomécanique de chocs numérique et expérimentale, animateur du projet PIPER, en charge de l’abdomen et de la colonne lombaire pour le GHBMC). Sur les aspects expérimentaux, elle sera renforcée par Bertrand Fréchède (Maître de Conférence) qui a développé des méthodes d’essais sur rachis à l’aide d’un bras robot. Une collaboration avec un doctorant en modélisation du confort supervisé par Xuguang Wang (Directeur de Recherche Ifsttar) sera possible. Une collaboration avec l’équipe « Imagerie et personnalisation » du LIA EVASYM (coll. Lyon-Montréal) est envisagée pour le cas test Orthopédie/Santé. Enfin, Bertrand Richard (Ingénieur de Recherche en informatique) sera impliqué aussi sur les aspects programmation et outils. Références [1] Boakye-Yiadom S, et al (2018) On the importance of retaining stresses and strains in repositioning computational biomechanical models of the cervical spine. Int. J. for Num. Meth. in Biomed. Eng., 34(1). [2] Claus et al. (2008) Sitting versus standing: Does the intradiscal pressure cause disc degeneration or low back pain? J of Electromyography and Kinesiology, 18(4) 550-558. [3] Curry, et al. (2016) Lumbar spine endplate fractures: Biomechanical evaluation and clinical considerations through experimental induction of injury. J. of Orthopaedic Research, 34(6), 1084–1091. [4] Dreischarf et al. (2016) Estimation of loads on human lumbar spine: A review of in vivo and computational model studies. J Biomech. 11;49(6):833-845. [5] Grébonval et al. (2019) Occupant response in frontal crash, after alterations of the standard driving position. Ircobi Conf. Florence, Italy. [6] Le Huec et al. (2015) Evidence showing the relationship between sagittal balance and clinical outcomes in surgical treatment of degenerative spinal diseases: a literature review. Int Orthop. 39(1):87-95. [7] Lindsey et al. (2018) Sacroiliac joint stability: Finite element analysis of implant number, orientation, and superior implant length. World J Orthop. 9(3): 14-23. [8] Mackiewicz et al. (2016) Comparative studies of cervical spine anterior stabilization systems--Finite element analysis. Clin Biomech Feb;32:72-9. [9] Más et al. (2017) Finite element simulation and clinical follow-up of lumbar spine biomechanics with dynamic fixations. PLoS ONE 12(11). [10] Nerot et al. (2016) A Principal Component Analysis of the Relationship between the External Body Shape and Internal Skeleton for the Upper Body. J. of Biomech. 49, no. 14.
Mots-clefs:	Mécanique, Biomécanique, méthodes numériques, rachis lombaire, Sécurité, Ergonomie, Santé

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