Proposition de sujet de thèse - LBMC

PROPOSITION DE SUJET DE THÈSE
Campagne 2017
Laboratoire de rattachement
LBMC
Encadrant référent Ifsttar
Laure-Lise GRAS (Maitre de conférences, LBMC) [email protected]
Titre de la thèse en français
Caractérisation mécanique du fascia pour la clinique et l’homme virtuel
Titre de la thèse en anglais
Characterization of fascia mechanical properties for clinic and virtual
human
Disciplines de la thèse
Mécanique
Axe du COP 2017-2020
Axe 1 : Analyser et innover pour une mobilité durable et responsable.
Lien avec les thématiques prioritaires de
TS2
L’« Homme virtuel »
La mobilité de l'Homme fragilisé, vieillissement et handicap :
Données expérimentales et loi de comportement pour améliorer la
modélisation de l’homme virtuel, et également dans une optique
d’améliorer les pratiques cliniques (stabilité des articulations).
Lien avec le projet fédérateur de TS2
Modèle et simulateur pour la mobilité et la sécurité de demain :
Données expérimentales et loi de comportement pour améliorer les
modèles d’être humain virtuel
Localisation principale (et secondaire, si
besoin, avec temps passés)
LBMC - Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs,
UMR_T 9406 IFSTTAR / UCBL1
Ecole doctorale (prévision)
MEGA
Etablissement d’inscription (prévision)
Université Claude Bernard Lyon 1
Directeur (et codirecteur) prévu(s) avec
statut et affiliation
Directeur : Karine BRUYERE (DR, LBMC)
Co-directeur : Laure-Lise GRAS (Maitre de conférences, LBMC)
Financement prévu
Allocation IFSTTAR
Co financeur ou financeur externe
Employeur du doctorant
IFSTTAR
CONTEXTE ET OBJECTIF :
Selon le rapport d’activité 2015 du Registre du Rhône des victimes d’accidents de la circulation routière,
sur la période 1996-2013 les usagers de deux-roues motorisés et les piétons représentent respectivement
22% et 9% des victimes dans le Rhône. Le point commun entre ces deux catégories d’usagers vulnérables
est la localisation de la majorité des blessures au niveau du membre inférieur.
Ces traumatismes sont principalement des fractures du fémur, du tibia et du bassin. Ces lésions sont prises
en charge par les chirurgiens orthopédistes qui suivant la gravité et le niveau d’arthrose engendré par ces
lésions à court ou à long terme peuvent décider de remplacer l’articulation par une prothèse. Cependant,
pour favoriser un retour rapide à la mobilité, les complications liées à la chirurgie doivent être évitées. Par
exemple pour la hanche, une des principales causes d’échec est la luxation de l’implant causée par une
instabilité de l’articulation (Bozic et al. 2009). La stabilité des articulations est assurée par les muscles et
les ligaments, mais aussi par les tissus conjonctifs comme les fascias ; or leur rôle reste mal compris.
Les fascias sont des tissus conjonctifs composés de fibres de collagène et d’élastine, qui peuvent être
lâches ou denses. Les fascias denses gainent les muscles (aponévroses) et les groupes de muscles (comme
le fascia lata). Ils participent à la transmission des efforts entre les muscles (Findley et al. 2012 ; Stecco et
al. 2014) et donc à la stabilisation des articulations. Toutefois, leur comportement mécanique reste peu
connu car les études de caractérisation se focalisent majoritairement sur le muscle ; or une meilleure
connaissance des propriétés mécaniques des fascias et de leur rôle pourrait inciter les chirurgiens à changer
les voies d’abord lors des chirurgies et à réparer les fascias en fin d’opération, garantissant une meilleure
prise en charge des patients.
L’objectif de cette thèse est donc de proposer une caractérisation des propriétés mécaniques des fascias
denses et de leur rôle dans la transmission des efforts entre les muscles, avec notamment l’étude de la
précontrainte exercée par le fascia sur le tissu musculaire.
METHODOLOGIE ET RESULTATS ATTENDUS :
Un travail expérimental couplé à de la modélisation sera réalisé en plusieurs temps. Une première étape
aura pour objectif la caractérisation des propriétés mécaniques des fascias par des essais de traction
biaxiale par gonflement et des essais de cisaillement. Les protocoles seront développés en fonction des
données de la littérature et du savoir-faire du LBMC (Brunon et al. 2011 ; Jayyosi et al. 2016). Il est
attendu l’identification par méthode inverse (méthode des éléments finis) des paramètres d’une loi de
comportement du fascia à définir.
Ces expérimentations seront réalisées pour des éprouvettes localisées dans différentes zones du fascia,
faisant l’hypothèse que la répartition des fibres varie et a un effet sur les propriétés mécaniques locales du
tissu. Des moyens comme l’analyse histologique et par microscopie biphotonique (Equipex IVTV) des
tissus seront mis en œuvre pour analyser la structure microscopique du tissu et faire un lien avec ses
propriétés macroscopiques.
Enfin, des essais de lacération du fascia sur un muscle isolé sont envisagés pour caractériser la
précontrainte et pré-déformation exercées par le fascia sur le tissu musculaire. Elles seront déterminées en
combinant expérimentation et modélisation en éléments finis. Ces données seront utiles pour modéliser le
muscle et ses fascias dans les modèles d’être humain virtuel.
L’ensemble de ces méthodes et résultats constituera une première étape dans la compréhension du rôle des
fascias sur la stabilité des articulations, et pourra être étendu à l’étude de la transmission des efforts
musculaires grâce à des modèles musculo-squelettiques et des expérimentations in vitro complémentaires
voire des expérimentations in vivo sur patients.
PROFIL DU CANDIDAT : Titulaire d’un master ou diplôme équivalent, le/la candidat(e) devra avoir de
bonnes connaissances en mécanique, notamment en matériaux et mécanique des milieux continus, une
forte motivation et des compétences en communication, rédaction et gestion du temps. Une première
expérience en expérimentation ou en modélisation sera appréciée.
REFERENCES :
Bozic K.J. et al. 2009. J Bone Joint Surg Am, 91(1):128-133. doi: 10.2106/JBJS.H.00155
Brunon A. et al. 2011. J Mech Behav Biomed Mater, 4(8):1572-81. doi: 10.1016/j.jmbbm.2010.12.016
Findley T. et al. 2012. J Bodyw Mov Ther, 16(1):67-75. doi: 10.1016/j.jbmt.2011.09.004
Jayyosi C. et al. 2016. J Mech Behav Biomed Mater, 54:229-43. doi: 10.1016/j.jmbbm.2015.09.031
Registre du Rhône des victimes d’accidents de la circulation routière : www.revarrhone.org
Stecco A. et al. 2014. Surg Radiol Anat, 36(1):25-32. doi: 10.1007/s00276-013-1152-y
MOTS CLEFS : Biomécanique, fascia, expérimentation, loi de comportement, modélisation
CONTEXT AND OBJECTIVE:
According to the 2015 activity report of the « Registre du Rhône des victimes d’accidents de la sécurité
routière » regarding road users’ victims over the period 1996-2013, users of motorized two-wheel vehicles
and pedestrians represent 22% and 9% respectively of road accident victims in the Rhône department. The
common point between these two categories of vulnerable users is the location of the majority of injuries
to the lower limb.
These injuries are mainly fractures of the femur, tibia and pelvis. These lesions are cared by orthopedic
surgeons, who may decide to replace the joint with an implant, depending of the severity of the lesion and
the level of arthrosis that might happen in the short or long term. However, to promote rapid return to
mobility, complications related to surgery must be avoided. For example, for the hip, a major cause of
failure is the dislocation of the implant caused by joint instability (Bozic et al. 2009). Joint stability is
ensured by muscles and ligaments, but also by connective tissues such as fascia; while their function
remains misunderstood.
Fascia is a connective tissue made of collagen and elastin fibers, which can be loose or dense. Dense
fasciae sheath muscles (aponeuroses) and muscles groups (such as fascia lata). They are involved in the
transmission of loads between muscles (Findley et al. 2012; Stecco et al. 2014), and thus contribute to joint
stability. However, their mechanical properties are little known, since studies in the literature mainly focus
on muscle mechanical properties. A better understanding of fascia mechanical properties and its effect on
muscle tissue might encourage surgeons to change surgical approaches and to repair fasciae. This could
ensure better care for patients.
The objective of this thesis is therefore to provide a characterization of dense fascia mechanical properties,
and to evaluate its role in the transmission of forces between muscles, especially by studying the pre-stress
exerted by the fascia on muscle tissue.
METHODOLOGY AND EXPECTED RESULTS:
Experimentation and modeling will be carried out together. A first step will aim to characterize the
mechanical properties of fascia with biaxial tensile tests by swelling and shear tests. The experimental
protocols will be developed according to the literature and the expertise of LBMC (Brunon et al. 2011;
Jayyosi et al. 2016). It is expected that the parameters of a constitutive law will be identified using an
inverse approach with finite element modeling.
These experiments will be performed on samples located in different areas of the fascia, assuming that the
distribution of fibers varies and has an effect on the fascia local mechanical properties. Techniques such as
histological analysis and bi-photon microscopy (Equipex IVTV) will be used to analyze the microscopic
structure of the tissue, and link these properties with macroscopic ones.
Finally, fascia laceration tests on an isolated muscle are intended to characterize the pre-stress and prestrain exerted by the fascia on muscle tissue. These characteristics will be determined by combining
experimental and finite element analysis. These data will be useful to model the muscle and fascia in
virtual human body models.
All these methods and results will contribute to the understanding of the fascia’s role in joint stability, and
will be extended to the study of force transmission between muscles thanks to musculoskeletal models and
additional in vitro experiments or even in vivo experiments on patients.
CANDIDATE PROFILE: The candidate should hold a Master degree or equivalent. He/she will have
knowledge in continuum mechanics and materials, strong motivation and good writing and communicating
skills. A first experience in modeling or experimentation will be appreciated.
REFERENCES:
Bozic K.J. et al. 2009. J Bone Joint Surg Am, 91(1):128-133. doi: 10.2106/JBJS.H.00155
Brunon A. et al. 2011. J Mech Behav Biomed Mater, 4(8):1572-81. doi: 10.1016/j.jmbbm.2010.12.016
Findley T. et al. 2012. J Bodyw Mov Ther, 16(1):67-75. doi: 10.1016/j.jbmt.2011.09.004
Jayyosi C. et al. 2016. J Mech Behav Biomed Mater, 54:229-43. doi: 10.1016/j.jmbbm.2015.09.031
Registre du Rhône des victimes d’accidents de la circulation routière: www.revarrhone.org
Stecco A. et al. 2014. Surg Radiol Anat, 36(1):25-32. doi: 10.1007/s00276-013-1152-y
KEY WORDS: Biomechanics, fascia, experimentation, constitutive law, modeling