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Introduction à la biomécanique et la

mécanobiologie

INTRODUCTIONL'espérance de vie croissante dans les pays développés a impliqué une demande croissante de nouveaux dispositifs médicaux, médicaments et implants, ainsi qu’à une explosion des technologies de la santé.

Ceci ouvre un nouveau défi non seulement pour les médecins, chirurgiens ou biochimistes, mais également pour les ingénieurs.

L’ingénierie biomédicale applique les principes et les méthodologies de la physique et de la chimie pour analyser des problèmes biomédicaux. Ceci inclut la conception et la construction des dispositifs médicaux pour aider, substituer, commander ou diagnostiquer le fonctionnement des organes vivants.

Par nature, c'est une science multidisciplinaire. Sa complexité et variétéexigent un effort de la communauté scientifique tant expérimental que théorique. La recherche multidisciplinaire est donc essentielle.

Une des sections de l’ « Ingénierie biomédicale » qui suscite les efforts les plus importants en tant qu’investissement, développement et application est la biomécanique. C'est particulièrement vrai dans certains secteurs comme l’orthopédie, la traumatologie et le développement d'implants.Une des raisons les plus importantes est le nombre croissant de personnes âgées ayant des problèmes squelettique ou les suites d'accidents routiers ou de travail.Données:

Aux Etats-Unis, par exemple, différentes études ont prévu que le nombre de ruptures de hanche par an passera de 340 000 en l'an 2000 à environ 650 000 en l’an 2050. Les ∼ 375 millions de personnes âgées de plus de 65 ans qui vivent maintenant dans le monde atteindront 1600 millions d'ici 2050.

LA BIOMECANIQUE

C'est la science qui applique les principes de la mécanique à la compréhension des processus et des fonctions biologiques.

Son objectif principal est donc de caractériser le mouvement des organes vivants, et ses variations différentielles (contraintes, déformation,…).

Ses champs d'application principaux sont donc :Le mouvement des organes vivants. Le comportement des systèmes biologiques. L'étude de l'influence de la microstructure interne dans le comportement constitutif des tissus vivants. L'analyse de l'influence de l'environnement mécanique sur les différents processus biologiques (Mécanobiologie).

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Clinical BiomechanicsComputational Biomechanics

Theoretical Biomechanics Experimental Biomechanics

Différents domaines d’applications:• Analyses des pathologies

squelettiques et cardiovasculairesainsi que ses traitements

• Planification preoperatoire et prévision à long terme des processus biologiques

• Conception de prothèses et implants• Chirurgie cardiovasculaire et

orthopédique• Performance sportive et appareils• Biomécanique du travail

(occupational biomechanics)• Instrumentation biomédicale• Ergonomie• Ingénierie tissulaire

COMPORTEMENT MÉCANIQUE DES TISSUS SQUELETTIQUES.

MODÉLISATION NUMÉRIQUE DES ORGANES, DES ARTICULATIONS ET DES IMPLANTS

Manuel DoblaréAragón Institute of Engineering Research (I3A) University of Zaragoza (Spain)mdoblare@unizar.es

LA BIOMECANIQUE ET LA MECANOBIOLOGIE

Le but de la biomécanique est de prévoir le comportement mécanique (mouvement, déformations et contraintes) d'un tissu ou d'un organe, en tenant compte des charges agissant sur lui, de sa microstructure et des contraintes imposées par d'autres organes.A l’opposé, la mécanobiologie essaye de prévoir l'évolution de la microstructure et de la constitution biologique d'un tissu ou d’un organe suite aux conséquences de son environnement mécanique. En particulier, la mécanobiologie cellulaire étudie les processus cellulaires impliqués dans une situation biologique et les influences de l’environnement mécanique, biologique, chimique, sur ces processus.

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PHYSIOLOGY, HISTOLOGYCOMPUTATIONAL BIOMECHANICS

Modelling and simulation of the

mechanical behaviour of tissues and their

interaction with biomaterials

Composition and microstructure

MEDICINEProblems and applications

MECHANICS OF MATERIALSProperties and

constitutive behaviour

Movement

Strains

Stresses

Damage, Microcracks

Interactions, Contacts

NUMERICAL METHODSImplementation and simulation

CONTINUUM MECHANICSGlobal formulation in Mechanics

0b =+ ρσdiv

EXEMPLE BIOMÉCANIQUE (modélisation d’un implant dentaire)

BONE

IMPLANT

85.75MPa

335 MPaDental Implant

ABAQUS/Post Version 5.5-1

ABAQUS/Post Version 5.5-1

Exemple biomécanique

(Modélisation des fractures et fixations au pelvis)

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ABAQUS/Post Version 5.5-1

Deformed shape of the healthy pelvis under 10 KN of vertical load over the sacrum (x 25)

ABAQUS/Post Version 5.5-1

Deformed shape of the pelvis with a transforaminal fracture before and after fixation (x 25)

COMPUTATIONAL MECHANOBIOLOGY

Modelling and simulation of biological

processes and their interaction with the

mechanical environment

MEDICINEProblems and applications

MECHANICS OF MATERIALSProperties and

constitutive behaviour Evolution of the microstructure

and cellular distribution

NUMERICAL METHODSImplementation and simulation

CONTINUUM MECHANICSGlobal formulation in Mechanics

0b =+ ρσdiv

PHYSIOLOGY, HISTOLOGYComposition and microstructure

BIOLOGYModelling of

biological processes

A MECHANOBIOLOGICAL APPLICATION (BONE REMODELLING AFTER IMPLANTATION OF A HIP PROSTHESIS)

ABAQUS/Post Version 5.5-1

Simulation en biomécanique: besoins et problèmes

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But : établir et résoudre des modèles biomécaniques, biologiques, et couplés (mécanobiologiques) à l'aide d’outils numériques. Ces modèles peuvent être discrets (c.-à-d. les modèles pluricellulaires) ou continus au niveau macroscopique (homogénéisation): DÉPENDANCE SPATIALE. Ils peuvent être statiques ou évolutifs : DÉPENDANCE TEMPORELLE. Leur solution est habituellement très complexe (des phénomènes couplés avec différentes dépendances de temps et d'espace, non linéaire, et la microstructure ayant une forte influence, etc.), il devient nécessaire d'utiliser les dernières techniques numériques afin de résoudre les équations différentielles et intégrales, à la fois dans l’espace (éléments finis) mais aussi temporellement (algorithmes d'évolution).

LES SIMULATIONS EN BIOMÉCANIQUE ET MÉCANOBIOLOGIE

Grande difficulté de beaucoup d'essais expérimentaux et impossibilité pratique de leur personnalisation. Possibilité de comparer beaucoup de situations et de facteurs différents: patients (personnalisation), implants, propriétés de tissu, sensibilité aux influences externes,…Capacité de considérer des facteurs mécaniques, biologiques et pharmacologiques. Simulations plus près de la réalité dans certains cas due à la possibilité de considérer et commander des facteurs qui ne peuvent pas être commandés ou mesurés dans des essais expérimentaux. Faible coût.

MOTIVATION POUR LA SIMULATION

Géométries très complexes, parfois évolutivesGÉOMÉTRIE NUMÉRIQUE, IMAGERIE MÉDICALE, VISUALISATION DE DONNÉESGrands déplacements et contraintes MÉCANIQUE NUMÉRIQUE ET DES MILIEUX CONTINUSChargements complexes, états de frontière et interactions, habituellement inconnus (influence des interactions de revêtements de surface, biologiques et biochimiques,…)TECHNOLOGIE DE SURFACE, MÉCANIQUES DES CONTACTS, USURE

PROBLÈMES NUMÉRIQUES EN BIOMÉCANIQUE ET EN MÉCANOBIOLOGIE

Comportement très complexe des tissus vivants et, dans quelques occasions, des biomatériaux artificiels (hétérogène, anisotrope, multiphasique, avec une forte influence de la microstructure, comportement évolutif et adaptatif).MOD ÉLISATION DU MATÉRIELMultidisciplinaire (Mécanique, Thermodynamique, Biologie) àdifférentes échelles de temps.ALGORITHMES ÉVOLUTIFS COUPLÉSVariabilité importante des paramètres du modèleAPPROCHE STOCHASTIQUE Difficulté à valider les lois constitutives du modèle (manque de données expérimentales).TESTS EXPÉRIMENTAUX SUPPLÉMENTAIRES

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Processus de simulation d’un problème biomécanique par éléments finis

Définition de la géométrie et dumaillageInstauration des conditions auxlimites et des surfaces de contactDétermination des chargementsPropriétés mécaniques des matériaux

Liste des étapes à réaliser:

RECONSTRUCTION GÉOMÉTRIQUE

IMAGES MÉDICALES(CTs, RMNs, IVUS, ...)

Géométrie normalementdéfinie par imageriemédicale (CTs, NMR, IVUS, angiographies, etc.)

IMAGES MÉDICALES

SEGMENTATION

Program GL (courtesy of the Group of Computer Graphics, I3A)

Contours sont déterminésmanuellement ou par procédure automatique

IMAGES MÉDICALES

SEGMENTATION

RECONSTRUCTION 3D

Human femur

Tibia and fibula of a rabbit

Volume et surfaces sontapproximés à partir des contours

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GENERATION FE MAILLAGE

IMAGES MEDICALES

SEGMENTATION

RECONSTRUCTION 3D

MANUELLEMENT

Le maillage éléments finis (FE) est ensuite généré

IMAGES MEDICALES

SEGMENTATION

RECONSTRUCTION 3D

AUTOMATIQUEvoxels, marching cubes, finiteelements, méthodes sans maillage(nuage de points)

Le maillage éléments finis (FE) est ensuite généré

GENERATION FE MAILLAGE

Dans le cas des tissus mous, le problèmeest la définition de la géométrie et la génération du maillage est plus complexeLes grandes déformations nécessitentd’établir une référence fixe tout le long des mesures et capturer l’image estnormalement très complexe (i.e images du système cardio-vasculaire doivent êtrecomparées pour le même point du cycle cardiaque (TOMTEK).

IVUS

ANGIOGRAPHIES FE MESH

IMAGES MEDICALES

SEGMENTATION

RECONSTRUCTION 3D

CHARGEMENTS ET CONDITIONS FRONTIERES

Nécessité de donnéesexpérimentales (grande variabilité et distributionsaléatoires)

GÉNÉRATION MAILLAGE (EF)

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Chargements sur les os imposés par muscles et ligaments

OS-TENDON-MUSCLE-TENDON-OS

OS-LIGAMENT-OS

PLUSIERS MUSCLES ET LIGAMENTS

AGISSENT NOMALEMENT SUR LE

MEME ORGANE

Muscles et ligaments peuvent être:

DIRECTEMENT SUBSTITUÉS PAR DES

FORCES EXTERNES

MODÉLISÉS COMME TIGE OU COQUILLE

MODÉLISÉS COMME ORGANES 3D COMPLETS

Conditions frontières (BC) et interactions peuvent aussi êtresimplifiées en tenant compte du but spécifique de l’analyse

Même cas pour les interfaces avec d’autres tissus ou implants.

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IMAGES MÉDICALES

SEGMENTATION

RECONSTRUCTION 3D

CHARGEMENTS ET CONDITIONS FRONTIÈRES PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX

GÉNÉRATION MAILLAGE (EF)