La mécanique pour réparer notre corps

La mécanique pour réparer notre corps
D. Weichert
équipe:
M. Stoffel, M. Strampe, J.-H. Yi, B. Zhou
anciens membres:
T. Pandorf, E. Schopphoff, M. Titze
SOMMAIRE
1.
2.
3.
4.
La mécanique et les systèmes biologiques
Fondations mécaniques
Biomatériaux et aspects biomécaniques
Applications et exemples
2
La mécanique et les systèmes biologiques
GENERALITES
Système biologique
Mécanique
BIOMECANIQUE
Analyse des systèmes biologiques et application des méthodes de
la mécanique pour répondre à des questions concrètes
Ici: Application de la mécanique en médicine
OBJECTIF DE LA BIOMECANIQUE
Analyse mécanique des fonctions et structures des
systèmes biologiques
Comprendre l‘interaction entre des structures vivantes et des
facteurs d‘influences internes et externes
Application constructive en ingénierie médicale
5
OBJECTIF DE LA BIOMECANIQUE
• Analyse fonctionnelle:
• Mouvement
• Chargement
Analyse des interactions du patient avec
son environnement
[TUHH-BIM]
6
OBJECTIF DE LA BIOMECANIQUE
• Analyse structurelle
• Structure
• Evolution
• Régulation
http://depts.washington.edu
www.tiho-hannover.de/
Expliquer les réaction du corps humain
Quelle: www.donna.ch
7
PARTICULARITES
•
•
•
•
Systèmes vivants (pas „détachables“ sans les tuer)
Propriétés mécaniques fortement complexes
Fortes interactions
Thermodynamiquement non-équilibré
Conclusion: Possibilités d‘analyse et de modélisation limitées
8
PARTICULARITES
Complexité:
• Données seulement statistiques
• Anisotropie évolutive
Inhomogénéité, …
Quelle: www.scinexx.de
[GLAGOV, S.]
9
PARTICULARITES
Interactions
• mécaniques
• hormonales
• systèmiques (végétatives)
Couplages
Mécanique des solides et des fluides, chimie, biologie
moléculaire, thermodynamique,…
Seule la coopération interdisciplinaire a un sens
10
POURQUOI ON Y TRAVAILLE?
• Curiosité scientifique
• Besoins thérapeutiques
– Chirurgie, Orthopédie, …
Quelle: Kummer.Biomechanik
www.gipsverband.free.fr
11
POURQUOI ON Y TRAVAILLE?
• Besoins thérapeutiques
• Malformation (maladive ou génétique)
Quelle: Kummer. Biomechanik
12
QUELQUES BUTS (MECANIQUE DES SOLIDES)
• Connaître le niveau de sollicitation mécanique
• Evaluation et optimisation de prothèses (forme, matériaux,
techniques d’implantation)
• Interaction entre implant et corps
• Développement de méthodes
• Etude de l‘osteoporose
• …
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Fondations mécaniques
THEORIE ET SIMULATION
•
Modélisation
– Mécanique classique
– Thermodynamique des systèmes ouverts
– Lois de comportement
– Equations d‘évolution
•
Simulation
 Isolation des sous-systèmes
 Calcul numérique
•
Problèmes
 Données incertaines
 Conditions aux limites
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METHODES EXPERIMENTALES
• Méthodes conventionnelles
–
–
–
–
–
tension, compression, flexion, torsion
pression
Débit, écoulement en général
Analyse de mouvement
Essais tribologiques
• Normes
Exemple: ISO 7206: 2,3 kN max, 5 Mill. Lastzyklen
• Très souvent: cas-par-cas
• Nombreuses conditions particulières
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L‘HUMAIN: UN „SYSTEME MULTI-CORPS“
Components et leur identification mécanique:
éléments rigides: les os (ca. 210)
„érigent“ le corps
Contraintes de compression, tension, torsion, flexion
Liaisons cinématiques: articulations
translation (ca. 100)
„éléments actifs“: muscles
création de force de tension (>600)
„éléments passifs“: tendons, ligaments, cartilage
transmission des forces de tension, stabilisation des articulations, amortissement,
distribution de pression
Fluides: lubrification
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Biomateriaux et aspects
biomécaniques
FONDATIONS
• Biomatériaux, Matériaux d‘implant, …
En général:
matériau en interaction avec un système biologique
En particulier:
matériaux prévus de rester à long terme dans le corps humain
•
•
•
•
•
Sparadrap
Lentilles de contact
plombage
Prothèses (hanche, genou, doigt, …)
„Organes“ artificiels (stimulateur cardiaque, pompes….)
19
CATEGORIES
• Classe de matériaux (métaux, céramiques,..)
• Fonction biomécanique
•
•
•
•
Remplacement de tissus
Remplacement de vaisseaux
Stabilisation
Remplacement d‘articulations
• Durée dans le corps
• Implant temporaire
• Implant permanent
• Propriétés mécaniques
• stable / dégradable
• souple / dure
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PROPRÍETES DEMANDEES
•
•
•
•
Fonctionnalité
Biostabilité
Biocompatibilité
(économique, stérilisable,…)
La complexité des interactions et conditions limitent
fortement le choix des matériaux
21
FONCTIONNALITÉ
• Exemple: régénération osseuse
– Mécanismes:
• Plaques et broches
• clous et vis
– pos.: supports mécaniques
neg.: endommagement des tissus
– Études biomécaniques:
• Tests de chargement cyclique
[www.idr.med.uni-erlangen.de]
=>ancrage et résistance mécanique
• Régénération de l‘os
[www.synthes.com]
22
FONCTIONNALITÉ
• Exemple prothèse de vaisseaux
– Usage:
• Tube silicone (Shunt, Drainage)
• Stent (rétrécissement artériel)
[htg.johodortmund.de/dokumente/do
wnload.php/dokument_id=1
3.pdf]
• Transplantât (By-pass)
– Interactions:
• Reconstruction
• endommagement
– Etude biomécanique:
• Dynamique des fluides
• Résistance mécanique
[www.angioclinic.de ]
23
FONCTIONNALITÉ
Fuites de types I à IV
24
FONCTIONNALITÉ
• Exemple Exoprothèses
(genou, main,…)
[www.tu-berlin]
– problèmes:
• Simulation des mouvements internes
• Contrôle externe
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BIOSTABILITE
Perte de masse minimale /-dissolution, corrosion
•
•
•
•
Dissolution des métaux à éviter
Usure minimale
Attention à la durée
…
Résistance au milieu aggressif du corps pour éviter la
fatigue du matériau
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BIOSTABILITE
• Exemple Endoprothèse d‘articulation
• Souvent fortement sollocité (genou, hanche,…)
• Fonctionnalité et stabilité
• À voir:
Combinaison de matériaux, biocompabilité, ancrage,
cinématique, taille, distribution des forces, …
• Etudes biomécaniques:
– Stabilité
– Chargement
– Usure
– Cinématique
– …
[BARTSCH, I.:
Zytokinprofil einer humanen
Knochenmarkszellkultur
nach Exposition mit
UHMWPE – Abriebpartikeln]
[Bartsch, I]
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BIOCOMPATIBILITE
Matériau sans influence négatif sur le système biologique
– biotolérant (de durée limitée)
– bioinerte (encapsulation)
– bioactif (fusion)
• Compatibilité de surface
• Compatibilité structurelle
 Problèmes: réactions allergiques, toxiques, mutagènes
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PROPRIETES MECANIQUES DES MATERIAUX BIOMECANIQUES
Materiau
tension
[MPa]
compression
[MPa]
Module de Young
Cartilage
~4
~10
0,02
Os corticale
60 - 160
130 - 180
3 - 30
Os spongieux
Knochen
~2
~3
1
UHMWPE
40
20
1
PMMA
40
80
2
Titane-(alliages)
780 – 1080
450 - 1850
100
Acier inox
540 - 4000
1000 – 4000
200
> 450
480 - 600
200 - 230
CoCr-(alliages)
[GPa]
29
APPLICATIONS
Epaule
indication:
- Omarthrose
- Rheumatisme
- Fracture
www.isp-gmbh-luebeck.de
www.isp-gmbh-luebeck.de
30
APPLICATIONS
Doigts
www.ottobock.de
www.roteskreuzkrankenhaus.de
www.mathysmedical.com
31
APPLICATIONS
• Hanche
– Lignes de forces
Influence de
l‘angle CCD
Kummer.Biomechanik
Normaler
CCD-Winkel
CCD-Winkel
zu klein
CCD-Winkel
zu groß
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APPLICATIONS
• Structure interne
: Kummer.Biomechanik
Architecture
Substantia Spongiosa Femur
proximale
: Kummer.Biomechanik
Kummer.Biomechanik
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APPLICATIONS
• Distribution des contraintes
Kummer.Biomechanik
Situation normale
Kummer.Biomechanikl
Angle CCD trop grand
34
APPLICATIONS
• Différent concepts
• Prothèse de surface
• Endoprothèse totale
• Prothèse vissée
DSP
[www.krankenhaus/fn.de ]
Quelle: www.ortho-praxis.ch
Prothèse standard
Prothèse DSP
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APPLICATIONS
Aspects mécaniques:
–
–
–
–
–
Ancrage dans l‘os
cimenté / non-cimenté
Changement du flux des forces
Conséquences sur la structure de l‘os
but: flux de force semblable à la situation naturelle
Degré d‘endommagement de l‘os
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VISUALISATION DES CONTRAINTES (VON MISES)
Avec
prothèse
Situation
physiologique
[Schönbrunner, P]
[Koebke, J.]
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COUPLES DE MATERIAUX
www.ortho-praxis.ch
•métal-métal
•céramique-céramique
•métal-polyéthylen
Dur-mou:
petites têtes
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COUPLES DE MATERIAUX
Dur-dur: grandes têtes
• Usure peut êre minimisée
[ASR]
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COUPLES DE MATERIAUX
Moment de friction plus grand pour petite tête
Coéfficient de friction dépend du couple des matériaux
40
COUPLES DE MATERIAUX
• Différents ancrages
www.sana-solln.de
zementiert
www.sana-solln.de
unzementiert
www.sana-solln.de
Hybrid-Hüftendoprothese
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SURFACE
ESKA
Clacarbloc
Bikontact
S-Rom
Zweymüller
Madreporique
ABG
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EXEMPLE : PROTHESE A GRANDE TETE
• Seulement surface de l‘os endommagée
• Couple Me-Me
Problèmes
http://www.drk-kliniken-bln.de/
• Déformation lors de l‘implantation
• Débris métalliques
http//:www.krankenhaus/fn.de/krankenhaus/fn/artikel/download/medizin
/Der_Oberflaechenersatz_des_Hueftgelenkes_Version_2005.pdf
43
EXEMPLE : PROTHESE A GRANDE TETE
Simulation EF
Hypothèse:
orthotropie de l‘os
44
AUTRES APPLICATIONS: GENOU
Quelle: www.kuleuven.ac.be
Quelle: www.zimmer-orthopedics.ch
Quelle: www.kuleuven.ac.be
45
AUTRES APPLICATIONS: GENOU
Eléments du genou
Articulation complexe, 3 os
www.arthros.de
46
AUTRES APPLICATIONS: GENOU
• Types de prothèses
www.zimmergermany.de
Standard
www.zimmergermany.de
www.zimmergermany.de
Bonne flexion
Peu invasive
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EXPERIMENTS
• Banc d’essais
„Minibionix II“ MTS
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AUTRES APPLICATIONS: GENOU
 Essais
La simulation du
genou demande la
commande de 4 axes
EN ISO 14243:
5 x10e6 cycles
.
Mise en place
de différentes
prothèses
49
AUTRES APPLICATIONS: VERTEBRES
Fixation de vertèbres voisines
www.bauerfeind.nl
50
AUTRES APPLICATIONS: DISQUE INTERVERTEBRAL
• Prothèse (matériau mou)
Quelle: www.die-kuenstliche-bandscheibe.de
Quelle: www.medical-tribune.at
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AUTRES APPLICATIONS: DISQUE INTERVERTEBRAL
• Essais
Analyse de
mouvement par
ultrason en 3D.
.
52
AUTRES APPLICATIONS: DISQUE INTERVERTEBRAL
• Essais
Angeschlossen ist ein laboreigener Raum, in dem
Auf diese Weise gelingt es, die Präparate
den Medizinern der Einbau der Bandscheiben in
möglichst frisch zu testen und so
natürliche Strukturen möglich ist..
zuverlässige Ergebnisse zu erhalten.
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REMPLACEMENT DE VERTEBRES
• Vertèbres de poitrine et
lombes
• prothèse peut être
retirée
Problèmes:
– stress-shielding
– fracture
Ulrich GmbH & Co. KG
Ulrich GmbH & Co. KG
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REPARATION DE VERTEBRES
Kyphoplastie
1)
2)
3)
4)
www.klinikum.uni-heidelberg.de
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REPARATION DE VERTEBRES
• Kyphoplastie:
stabilisation des vertèbres fracturées (ostéoporosie fraiche:
1 à 4 semaines) avec redressement par injection de ciment
• Vertébroplastie:
stabilisation prophylactique sans redressement par
injection de ciment
56
CONCLUSIONS
•
•
•
•
•
Domaine de recherche forcement interdisciplinaire
Le mécanicien doit s’ouvrir à la logique des médecins, sans perdre son
identité
Travail en réseau; chercher les complémentarités
Mettre en place une cartographie de compétence
La collaboration ne se décrète pas, mais elle se construit sur le fond
des intérêts communs et l’envie de travailler ensemble.
57