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Étude biomécanique de la scoliose idiopathique de l'adolescent par l'équilibre énergétique du rachis et la poromécanique des tissus

Brun-Cottan, Baptiste. Étude biomécanique de la scoliose idiopathique de l'adolescent par l'équilibre énergétique du rachis et la poromécanique des tissus. PhD, Dynamique des fluides, Institut National Polytechnique de Toulouse, 2020

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Abstract

Ce travail de thèse s’inscrit dans le défi sociétal de la santé et est construit sur une approche originale interdisciplinaire en mécanobiologie. La pathologie étudiée est la scoliose idiopathique, déformation rachidienne structurelle la plus courante touchant 2 à 3% des enfants de 10 ans ou plus. Environ 10% va progresser pendant la croissance et nécessiter un traitement spécifique pouvant aller jusqu’à une chirurgie très invasive. L’aide au diagnostic, la prise en charge du patient et son suivi sont des étapes clés dans lesquelles la proposition d’une quantification objective des phénomènes liés aux altérations pathologiques soutenue par des modèles prédictifs peut apporter une contribution significative. La modélisation mécanique du rachis trouve ses limitations dans le caractère multi-échelles en espace et en temps des tissus biologiques impliqués dans la scoliose. De nombreuses études se sont attachées à comprendre les phénomènes biomécaniques à l’échelle d’un segment vertébral ou bien l’épidémiologie à l’échelle du rachis. Ces approches constituent l’essentiel des travaux disponibles, cependant, il n’existe pas de travaux combinant les deux échelles spatiales, qui sont difficilement modélisables numériquement. L'évolution temporelle de la scoliose est quant à elle principalement étudiée dans la littérature du point de vue clinique et rarement du point de vue mécanique. La méthodologie proposée dans cette thèse s'attache à prendre en compte certaines caractéristiques multi-échelles de la scoliose en s’efforçant de contourner les obstacles par l'élaboration d'un nouveau cadre théorique. L'hypothèse centrale de cette approche est que la position d’équilibre quasi-statique du rachis scoliotique dérive de la minimisation d’une énergie potentielle totale incluant les énergies de déformation des structures déformables ainsi que les efforts internes et externes. Cette modélisation a été paramétrée par des opérateurs de type tenseurs effectifs. La détermination de solutions d’équilibre a été effectuée par minimisation numérique, celle des tenseurs effectifs a été menée par l’implémentation d’une méthode numérique inverse originale par son adaptation au domaine du vivant et incluant notamment une méthode de pénalisation. Cette résolution a été réalisée à partir d’un modèle mécanique global filaire et tridimensionnel du rachis. A une sous-échelle incluant le segment vertébral, une approche poroélastique a été proposée. Cette partie du travail a permis de discuter de la notion d’échelle de temps multiples et d’établir des liens entre les échelles spatiales par le biais des torseurs d’efforts internes. L’approche heuristique a été construite par des échanges avec les informations cliniques (radiographies biplanaires), ceci en collaboration avec le service d’orthopédie pédiatrique du CHU Toulouse. La résolution d’un problème inverse sur un rachis très peu déformé a montré que les résultats obtenus étaient similaires à ceux de la littérature, validant la pertinence de ce modèle. Par ailleurs, les résolutions menées à partir d’une cohorte de patients (scolioses stables ou instables) ont permis de mettre évidence des indices évolutifs associés à l’adaptation mécanique des segments vertébraux. Ainsi, les temps de résolution des modèles numériques étant optimisés, il est possible d’envisager à court terme l’utilisation de cette nouvelle méthodologie en contexte clinique pour aider au diagnostic précoce des scolioses instables, à la rééducation adaptée et la planification chirurgicale. En perspective, grâce au modèle développé dans cette thèse, l’exploration de l’altération des propriétés de transports dans les segments pathologiques permettra d’étudier la dégénérescence discale et ainsi s’intéresser aux causes du développement de la scoliose. Ce type de recherches pourra être effectué par l’enrichissement de la méthodologie par des modèles de transports réactifs étayés par les observations cliniques.

Item Type:PhD Thesis
Uncontrolled Keywords:
Institution:Université de Toulouse > Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE)
Laboratory name:
Research Director:
Swider, Pascal and Accadbled, Franck
Statistics:download
Deposited On:26 Apr 2021 14:54

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