La soutenance de thèse de Marie line PISSONNIER aura lieu lundi 26 mai 2025 à 14h et portera sur le thème :

« Conception et évaluation d'un modèle musculo-squelettique multicorps rigides et éléments finis du rachis thoraco-lombaire humain. Analyse des variations structuro-fonctionnelles, du sujet sain au pathologique ; applications cliniques »

Lieu : Faculté de Médecine, Bâtiment Boucherle, 5 chemin Duhamel, Salle 109 - 38700 La Tronche, Tramway B arrêt « Hôpital Michalon »

Direction de thèse :

• Yohan PAYAN, Directeur de thèse, Directeur de Recherche, CNRS Délégation Alpes
• Robert CARLIER, Co-directeur de thèse, Professeur des Universités - Praticien Hospitalier, Université Paris Saclay

Composition du jury :

• Yoann LAFON, Directeur de recherche, Université Gustave Eiffel, Rapporteur
• Charles COURT Professeur des Universités - Praticien Hospitalier, Université Paris Saclay, Rapporteur
• Véronique FEIPEL, Professeur des Universités, Université Libre de Bruxelles, Examinatrice
• Clémence PALAZZO, Docteure en Sciences - Praticien Hospitalier, Hôpital Privé de Provence, Examinatrice
• Arnaud GERMANEAU, Professeur des Universités, Université de Poitiers, Examinateur
• Jérôme TONETTI, Professeur des Universités - Praticien Hospitalier, Université Grenoble Alpes, Invité

 Résumé :

Cette thèse vise à développer un modèle du rachis thoraco-lombaire combinant une approche multicorps rigide et éléments finis, à l’aide de simulations numériques en dynamique directe. L’objectif secondaire consiste à l’évaluer dans différentes conditions dynamiques, en posture assise et allongée. Enfin, afin de favoriser son utilisation en routine clinique, il est essentiel d’évaluer la précision des méthodes de mesure 3D ainsi que celle des algorithmes d’inférence anatomique appliqués aux images CT-scan des patients.

Après avoir analysé les spécificités structurelles et fonctionnelles du rachis thoraco-lombaire humain, il a été nécessaire d’examiner la frontière entre variations anatomiques et pathologies. Une synthèse des approches biomécaniques par simulation numérique a ensuite été réalisée, identifiant les limites des modèles existants et leur évaluation.

L’objectif du modèle développé a été de coupler une approche multi-corps rigide à une méthode par éléments finis afin d’améliorer la précision des simulations biomécaniques. Sa conception a intégré plusieurs contraintes essentielles :
• Exhaustivité anatomique : prise en compte de l’ensemble de la colonne vertébrale osseuse, de la base du crâne au bassin, ainsi que de la cage thoracique et des ceintures scapulaire et pelvienne.
• Intégration des structures ligamentaires et musculaires : modélisation des éléments mono- et plurisegmentaires du rachis thoraco-lombaire.
• Fidélité fonctionnelle : reproduction réaliste des géométries osseuses, ligamentaires et musculaires.
• Modélisation adaptée : utilisation de structures simplifiées (corps rigides, fibres, articulations idéalisées, éléments 1D déformables) ou complexes (prise en compte des contacts, éléments finis…).

Afin d’assurer un réalisme optimal dans la conception des structures anatomiques, la segmentation 3D d’imagerie médicale a été essentielle. Plusieurs modalités ont été utilisées : IRM corps entier, IRM 3D musculaire axiale, IRM en position assise multi-postures, CT-Scan et EOS. Les propriétés matériaux et le design des structures ont été définis à partir de la littérature, des connaissances développées au sein du laboratoire TIMC-IMAG, de dissections anatomiques et d’imageries multipositions.

Des simulations de flexion et d’extension du rachis thoraco-lombaire ont été réalisées, avec une évaluation centrée sur la région lombo-sacrée. La validation s’est appuyée sur une comparaison entre les résultats de simulations numériques et les IRM multi-positions, en utilisant des mesures angulaires couramment employées en clinique. Les résultats ont montré une concordance des positions simulées et réelles des vertèbres en flexion passive et en position neutre. En revanche, la simulation en extension passive a révélé des différences significatives, attribuées à un déficit de lordose. Ce manque a pu être corrigé par l’intégration de contractions musculaires.

L’évaluation du modèle s’est basée sur des mesures angulaires obtenues à partir de la 3D projetée en 2D. Une revue de la littérature a permis d’analyser les différentes définitions des angles aussi bien 2D que 3D. De plus, une étude de la reproductibilité et de la répétabilité des mesures sur CT-Scan a été menée. Enfin, la performance d’un algorithme de segmentation et de landmarking automatique est en cours d’évaluation afin d’envisager une application en routine clinique. Par ailleurs, l’exploration d’un modèle patient-spécifique basé sur l’inférence anatomique des structures a été amorcée. Cette approche nécessitera des validations complémentaires. Ce modèle représente une approche nouvelle dans l’étude biomécanique du rachis thoraco-lombaire, offrant une vision intégrative et réaliste des interactions anatomiques et des mécanismes pathologiques.

 

Mots Clés :

Pathologie, biomécanique, simulation numérique, système musculo-squelettique