Transcript FICHE TYPE POUR OFFRE DE THESE Spécialité doctorale

FICHE TYPE POUR OFFRE DE THESE
Spécialité doctorale :
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Biostatistique
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Electronique
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Informatique
□
Mathématiques et modélisation
x
Mécanique et Génie civil
□
Physique
□
SYstèmes automatiques et Microélectroniques
Inscription en thèse :
x UM2
□ UM1
Date limite de validité de l'offre :
ENCADREMENT DE LA THESE
Directeur de thèse (nécessairement HDR) : Fabien Cherblanc
Co-encadrant éventuel : Dominique Ambard
Correspondant/Contact : Dominique Ambard, [email protected]
Titre en français : Modélisation et identification de la cinématique de croissance des
tissus biologiques. Application au disque intervertébral.
Titre en anglais : Simulation and identification of the kinematics of soft tissue growth.
Application to the intervertebral disc.
Page web de l'offre (si elle existe) :
Financement prévu : UM2
Profil(s) de candidats souhaité(s) : Mécanique, Biomécanique.
Présentation détaillée en français :
Bien que principalement biologiques, les processus qui régissent la croissance des tissus sont
aussi fortement influencés par l'environnement mécanique : le cas de la croissance des disques
intervertébraux à l'origine des scolioses idiopathiques chez les adolescentes est un exemple
sur lequel nous collaborons avec les centres hospitaliers (Nîmes, Toulouse, Lyon). Dans le but
d'assister le diagnostic médical et d'optimiser les stratégies chirurgicales, l'étude du processus
de croissance nécessite d'aborder ces 3 aspects : modélisation théorique, simulation
numérique et observations expérimentales.
L'élaboration d'un modèle de croissance, s’appuyant sur les équations de la thermodynamique
des milieux continus ouverts, a largement été abordée dans la littérature. Nous supposerons
une continuité de la topologie des constituants de l'organe au cours du développement (pas
d'apparition/disparition de constituants), mais pouvant s'accompagner d'une évolution de leurs
caractéristiques géométriques et mécaniques. Le laboratoire dispose des outils numériques
nécessaires à la mise en place d'un modèle de croissance s'appuyant sur un code E.F. en
grande transformation (LMGC90) couplé avec une bibliothèque de matériaux (MATLIB École centrale Nantes). Souhaitant confronter ce travail aux données expérimentales,
l'élaboration d'une stratégie d'identification (problème inverse) du taux local de croissance,
voir d'une loi de croissance, sera au cœur de cette étape.
Ainsi, nous proposons d'explorer deux types de données : les données cliniques, accessibles
chez le patient au cours d'un examen type IRM (variations géométriques de l'organe,
variations des temps de relaxation, variations du tenseur de diffusion de l'eau libre) et les
données post-mortem (les lois de comportement mécanique et champs de contraintes
résiduelles issus du processus de croissance). En effet, à l'aide de la plate-forme
BioNanoNMRI de l'université (IRM 4,7 Teslas et IRM 9,4 Teslas), nous pouvons obtenir les
géométries du disque intervertébral ex-vivo entier ainsi que les portions de disque dont les
contraintes internes sont relaxées. Alors, les contraintes résiduelles pourront être estimées par
la méthode des éléments finis.
Cette nouvelle méthode d'identification du tenseur de croissance permettra de décrire la
croissance du disque intervertébral pathologique par rapport au disque sain, dans un but de
mieux comprendre le développement de la pathologie associée et de proposer des pistes pour
son identification précoce ainsi que pour sa prise en charge thérapeutique.
Présentation détaillée en anglais :
Even if tissue growth is a biological mechanism, the involved processes highly depend on the
mechanical environment. The intervertebral disk (IVD) growth, which is at the heart of the
development of the juvenile idiopathic scoliosis, constitutes an example of biological growth
influenced by mechanical loads. In collaboration with hospitals, our aim is to assist the
medical diagnostic and to improve the associated chirurgical strategies. Studying such a
process needs the 3 following aspects: theoretical modeling, numerical simulations and
experimental observations.
The development of growth models, based on thermodynamics of open continuum systems,
has been largely reported in the literature. We assume a continuity of the organ components'
topology during its growth, even if their shape and characteristics can evolve. Our laboratory
has developed numerical tools to build a growth model based on a FE software (lmgc90)
coupled to a material library (MATLIB – École Centrale Nantes). The present work has
already began through Master trainings and a PhD thesis, and will consist in implementing a
new type of growth potential. To compare numerical results with experimental data, a decisive
point of this step will concern the elaboration of an identification strategy (inverse problem)
to estimate the local growth rate.
We propose to explore two types of experimental data: (1) clinical parameters, accessible
thanks to IRM examinations (i.e., organ geometry variations, time relaxation evolutions,
variations of the free-water diffusion tensor), and (2) post-mortem data (i.e., mechanical
behaviour and residual stresses).
By using the BioNanoRMRI platform of the university (MRI 9.4 T and 4.7 T), we can obtain
the geometrical characteristics of the overall ex-vivo disc and its pieces which internal stresses
are relaxed. Then these residual stresses will be estimated thanks to the finite element method.
This new method will allow the identification of the local growth rate, and, at the same time,
the diffusion properties of the IVD, which will make it possible to describe locally the growth
of the pathological IVD compared to the healthy IVD. Thus, we should be able to better
understand the development of the connected pathology and to propose new techniques for
early diagnostic, and for early therapeutic care.
Figure 1 : Pressure (Mpa) fields into intervertebral porous disc.
[1] Dominique Ambard , Fabien Cherblanc. Mechanical behavior of annulus fibrosus a microstructural model of fibers
reorientation. Annals of Biomedical Engineering, Springer Verlag (Germany), 2009, 37 (11), pp.2256-2265.
[2] Adrien Baldit , Dominique Ambard , Fabien Cherblanc , Pascale Royer. Experimental analysis of the transverse
mechanical behaviour of annulus fibrosus tissue. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology, Springer Verlag
(Germany), 2013, 13 (3), pp.643-652.
[3] P. Swider , M. Conroy , A. Pédrono , Dominique Ambard , S. Mantell et al. Use of high-resolution MRI for investigation of
fluid flow and global permeability in a material with interconnected porosity. Journal of Biomechanics, Elsevier, 2007, 40 (9),
pp.2112-2118.
[4] Franck Accadbled , Dominique Ambard , Jérôme Sales De Gauzy , Pascal Swider. A measurement technique to evaluate
the macroscopic permeability of the vertebral end-plate. Medical Engineering & Physics, 2008, 30 (1), pp.116-122.
INFORMATIONS SUPPLEMENTAIRES UTILES
Particularités de l'encadrement :
Collaboration avec les services orthopédiques des CHU de Nîmes, Montpellier et Toulouse.
Collaboration avec la plateforme BioNanoNMRI (Montpellier).
Partenariat industriel éventuel :