Biomechanical modeling of the knee joint for computer assisted medical interventions

Modélisation biomécanique du genou pour la chirurgie assistée par ordinateur Plusieurs modèles biomécaniques du membre inférieur ont été proposés dans la littérature avec divers objectifs tels que l'étude de la mécanique des articulations ou l'assistance aux interventions chirurgicales. Les modèles musculo-squelettiques (MS) basés sur des approches multi-corps permettent d'utiliser les données cinématiques et cinétiques collectées sur un sujet afin d’estimer les forces musculaires et de contact dans les articulations. Cependant, de tels modèles ne permettent pas d'étudier la mécanique locale des articulations. Les modèles continus de type éléments finis (EF) apportent une solution pour estimer cette mécanique de l'articulation et les déformations des tissus mous.Plusieurs travaux ont proposé de combiner les modèles MS et EF afin de relier les mesures cinétiques et cinématiques avec les réponses mécaniques des tissus. Des approches de type multi-échelles ont ainsi proposé d’exploiter les résultats issus de modèles MS comme données d’entrées de modèles EF, mais se limitent à des échanges de données entre différentes plateformes de modélisation. C’est la raison pour laquelle il nous est paru pertinent de viser à l’utilisation d’une plateforme de modélisation qui permette de combiner, dans le même environnement informatique, modèles MS et EF.Au cours de cette thèse, nous avons ainsi utilisé la plateforme de modélisation open-source Artisynth pour développer ces modèles combinés du membre inférieur. Nous avons dans un premier temps étudié les complications de l'ostéotomie tibiale de valgisation (OTV), une intervention chirurgicale visant à corriger l'axe du membre inférieur. Les modèles nous ont ainsi permis d’étudier les conséquences de l’OTV en termes de mécanique de l’articulation du genou. Ces mêmes modèles ont ensuite été utilisés pour simuler la marche et tenter de tester la compatibilité du modèle articulaire utilisé dans les modèles MS pilotés par méthodes inverses et celle des modèles EF pilotés par des méthodes directes.Le manuscrit de thèse est structuré en six parties. La première est une introduction au sujet d'un point de vue biomécanique et médical. Dans la deuxième partie, une revue systématique de la littérature a été menée concernant les complications chirurgicales de l'OTV afin d’identifier les domaines dans lesquels nous pourrons contribuer aux questions médicales et biomécaniques.Dans la troisième partie, nous avons collecté un ensemble de données sur un sujet sain comprenant les géométries des articulations, des muscles et des tissus conjonctifs, l'analyse quantifiée de la marche ainsi que des données d'imagerie pour l'évaluation des modèles. Cet ensemble de données sera également utilisé pour générer des modèles avec différents niveaux de complexité, allant des modèles MS incluant des jonctions muscle-tendon (MT) aux modèles EF incluant les muscles, les ligaments et les ménisques.Dans la quatrième partie, une simulation de flexion passive du genou a été réalisée et comparée à des données acquises en condition IRM. Une analyse de sensibilité a été réalisée concernant les paramètres des modèles. Des simulations ont été réalisées pour comparer des modèles utilisant une représentation EF des muscles quadriceps avec des modèles MS incluant des jonctions MT pour ces muscles.La cinquième partie est consacrée à l’utilisation de modèles pour étudier les complications de l'OTV, avec deux questions soulevées. La première concerne l'articulation tibio-fémorale et vise à étudier l'impact de la raideur du ligament collatéral médian sur la répartition des contraintes dans les compartiments du genou. La seconde question concerne les conséquences de la chirurgie sur l'articulation fémoro-patellaire avec en particulier l’impact sur la position de la rotule.La dernière partie du manuscrit décrit nos tentatives pour combiner les modèles MS et EF en vue de la simulation de la marche. Ce travail préliminaire a été mené en collaboration avec Raphaël Dumas (LMBC, Univ Eiffel-UCBL).