1,721,484 research outputs found
Skin mechanics
No full textThe skin is the largest organ of the human body. With its layered structure, it is mechanically a very complicated tissue. From the outer surface down, the main layers are the stratum corneum (10-15. μm), the viable epidermis (100-150. μm), dermis (subdivided into the papillary and reticular dermis, μ2 mm), and hypodermis. Although the stratum corneum is part of the epidermis, it is often considered to be a separate layer because of its specific barrier properties. It consists of nonviable cells and is very firm, but pliable and wrinkled. The epidermis is mainly composed of cells migrating to the skin surface. When the cells are closer to the stratum corneum, they become more keratinized. The viable epidermis has an undulated geometry. This undulation becomes less with age. The dermis is largely composed of a very dense network of collagen and elastin fibers, dominating the mechanical behavior of the total skin. The deepest skin layer, the hypodermis or subcutaneous adipose tissue, is composed of loose fatty connective tissue. The dermis contains microstructures such as blood vessels, lymph vessels, nerve endings, sweat glands, hair follicles, and different cell types. The influence of the different layers on the mechanical properties has often been ignored, because authors are mainly interested in the bulk mechanical behavior, dominated by the main components of the skin layer
Biomechanical face modelling : Control of orofacial gestures for speech production
No full textUn modèle tridimensionnel du visage a été élaboré, dans la perspective de contribuer à l'étude de questions importantes sur le contrôle moteur de la production de la parole. Ce modèle est construit sur un maillage constitué d'éléments hexahédraux et de clavettes, qui comporte 3 couches distinctes et est symétrique par rapport au plan medio-sagittal. Les muscles faciaux sont représentés dans le maillage par un sous-ensemble d'éléments contigus. Les propriétés élastiques des éléments du maillage sont décrites par une loi de comportement de type isotrope quasi incompressible et hyperélastique. Dans une première phase de ce travail, pour étudier les conséquences globales de l'activation des muscles oro-faciaux sur les mimiques faciales et les gestes labiaux, et plus particulièrement sur les gestes labiaux en parole, un modèle linéaire de muscle a été élaboré. L'influence des variations de la raideur des tissus mous sur les gestes faciaux a été étudiée. En effet, l'activation des muscles entraîne un raidissement des tissus mous musculaires concernés. Cet effet est pris en compte dans le modèle de muscle par un changement de la loi de comportement hyperélastique avec l'activation musculaire. Une attention particulière a été portée dans cette étude à la production du geste de protrusion/arrondissement des lèvres qui est un geste fondamental dans la production des voyelles arrondies, en particulier en Français. Nous montrons que le raidissement des tissus mous musculaires facilite la production précise de ce geste grâce à l'existence d'un effet de saturation dans la relation entre les activations musculaires et les paramètres géométriques des lèvres qui sont pertinents acoustiquement. Ce résultat souligne l'importance des propriétés dynamiques des articulateurs dans la production des gestes de la parole, et il nous a incités à améliorer encore la modélisation de la source principale de force en production de la parole, c'est-à-dire les muscles. C'est pourquoi, un modèle de muscles plus réaliste a été élaboré qui se fonde sur une loi de comportement transversalement isotrope quasi incompressible et hyperélastique et sur un modèle de muscle de type Hill. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel éléments finis ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERMAT. La prise en compte supplémentaire d'une loi caractéristique force-vitesse a permis la modélisation complète d'un modèle de muscle de type Hill. Ceci a été fait sous ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERELEM. Cette loi caractéristique force-vitesse introduit un effet d'amortissement dans le mouvement du muscle du fait d'une atténuation croissante de la force musculaire lorsque la vitesse de compression du muscle augmente. Ce nouvel élément de type muscle a été conçu de manière telle qu'il est possible d'implémenter d'autres modèles de muscles que le modèle de type Hill. C'est pourquoi nous avons aussi implémenté le modèle de Feldman, qui a été utilisé de manière importante à Gipsa-lab dans les dernières années. L'intégration du modèle de Feldman dans une structure à éléments finis a nécessité une reformulation de façon à le rendre compatible avec une modélisation distribuée. Les modèles de Hill et de Feldman ont ensuite été incorporés dans le modèle de visage pour remplacer le modèle linéaire initial. Dans ces conditions les premières simulations du geste de protrusion/arrondissement labial ont donné des résultats réalistes. Finalement une comparaison des résultats obtenus avec le modèle de Hill avec ceux qui génère le modèle de Feldman montrent que les formes labiales finales sont très similaires pour les deux modèles.Un modèle tridimensionnel du visage a été élaboré, dans la perspective de contribuer à l'étude de questions importantes sur le contrôle moteur de la production de la parole. Ce modèle est construit sur un maillage constitué d'éléments hexahédraux et de clavettes, qui comporte 3 couches distinctes et est symétrique par rapport au plan medio-sagittal. Les muscles faciaux sont représentés dans le maillage par un sous-ensemble d'éléments contigus. Les propriétés élastiques des éléments du maillage sont décrites par une loi de comportement de type isotrope quasi incompressible et hyperélastique. Dans une première phase de ce travail, pour étudier les conséquences globales de l'activation des muscles oro-faciaux sur les mimiques faciales et les gestes labiaux, et plus particulièrement sur les gestes labiaux en parole, un modèle linéaire de muscle a été élaboré. L'influence des variations de la raideur des tissus mous sur les gestes faciaux a été étudiée. En effet, l'activation des muscles entraîne un raidissement des tissus mous musculaires concernés. Cet effet est pris en compte dans le modèle de muscle par un changement de la loi de comportement hyperélastique avec l'activation musculaire. Une attention particulière a été portée dans cette étude à la production du geste de protrusion/arrondissement des lèvres qui est un geste fondamental dans la production des voyelles arrondies, en particulier en Français. Nous montrons que le raidissement des tissus mous musculaires facilite la production précise de ce geste grâce à l'existence d'un effet de saturation dans la relation entre les activations musculaires et les paramètres géométriques des lèvres qui sont pertinents acoustiquement. Ce résultat souligne l'importance des propriétés dynamiques des articulateurs dans la production des gestes de la parole, et il nous a incités à améliorer encore la modélisation de la source principale de force en production de la parole, c'est-à-dire les muscles. C'est pourquoi, un modèle de muscles plus réaliste a été élaboré qui se fonde sur une loi de comportement transversalement isotrope quasi incompressible et hyperélastique et sur un modèle de muscle de type Hill. Ce modèle a été implémenté dans le logiciel éléments finis ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERMAT. La prise en compte supplémentaire d'une loi caractéristique force-vitesse a permis la modélisation complète d'un modèle de muscle de type Hill. Ceci a été fait sous ANSYS® grâce à sa fonction de programmation USERELEM. Cette loi caractéristique force-vitesse introduit un effet d'amortissement dans le mouvement du muscle du fait d'une atténuation croissante de la force musculaire lorsque la vitesse de compression du muscle augmente. Ce nouvel élément de type muscle a été conçu de manière telle qu'il est possible d'implémenter d'autres modèles de muscles que le modèle de type Hill. C'est pourquoi nous avons aussi implémenté le modèle de Feldman, qui a été utilisé de manière importante à Gipsa-lab dans les dernières années. L'intégration du modèle de Feldman dans une structure à éléments finis a nécessité une reformulation de façon à le rendre compatible avec une modélisation distribuée. Les modèles de Hill et de Feldman ont ensuite été incorporés dans le modèle de visage pour remplacer le modèle linéaire initial. Dans ces conditions les premières simulations du geste de protrusion/arrondissement labial ont donné des résultats réalistes. Finalement une comparaison des résultats obtenus avec le modèle de Hill avec ceux qui génère le modèle de Feldman montrent que les formes labiales finales sont très similaires pour les deux modèles
Brain mr Image segmentation for the construction of an anatomical model dedicated to mechanical simulation
No full textComment obtenir des données anatomiques pendant une neurochirurgie ? a été ce qui a guidé le travail développé dans le cadre de cette thèse. Les IRM sont actuellement utilisées en amont de l'opération pour fournir cette information, que ce soit pour le diagnostique ou pour définir le plan de traitement. De même, ces images pre-opératoires peuvent aussi être utilisées pendant l'opération, pour pallier la difficulté et le coût des images per-opératoires. Pour les rendre utilisables en salle d'opération, un recalage doit être effectué avec la position du patient. Cependant, le cerveau subit des déformations pendant la chirurgie, phénomène appelé Brain Shift, ce qui altère la qualité du recalage. Pour corriger cela, d'autres données pré-opératoires peuvent être acquises, comme la localisation de la surface corticale, ou encore des images US localisées en 3D. Ce nouveau recalage permet de compenser ce problème, mais en partie seulement. Ainsi, des modèles mécaniques ont été développés, entre autres pour apporter des solutions à l'amélioration de ce recalage. Ils permettent ainsi d'estimer les déformations du cerveau. De nombreuses méthodes existent pour implémenter ces modèles, selon différentes lois de comportement et différents paramètres physiologiques. Dans tous les cas, cela requiert un modèle anatomique patient-spécifique. Actuellement, ce modèle est obtenu par contourage manuel, ou quelquefois semi-manuel. Le but de ce travail de thèse est donc de proposer une méthode automatique pour obtenir un modèle du cerveau adapté sur l'anatomie du patient, et utilisable pour une simulation mécanique. La méthode implémentée se base sur les modèles déformables pour segmenter les structures anatomiques les plus pertinentes dans une modélisation bio-mécanique. En effet, les membranes internes du cerveau sont intégrées: falx cerebri and tentorium cerebelli. Et bien qu'il ait été démontré que ces structures jouent un rôle primordial, peu d'études les prennent en compte. Par ailleurs, la segmentation résultante de notre travail est validée par comparaison avec des données disponibles en ligne. De plus, nous construisons un modèle 3D, dont les déformations seront simulées en utilisant une méthode de résolution par Éléments Finis. Ainsi, nous vérifions par des expériences l'importance des membranes, ainsi que celle des paramètres physiologiques.The general problem that motivates the work developed in this thesis is: how to obtain anatomical information during a neurosurgery?. Magnetic Resonance (MR) images are usually acquired before the surgery to provide anatomical information for diagnosis and planning. Also, the same images are commonly used during the surgery, because to acquire MRI images in the operating room is complex and expensive. To make these images useful inside the operating room, a registration between them and the patient's position has to be processed. The problem is that the brain suffers deformations during the surgery, in a process called brain shift, degrading the quality of registration. To correct this, intra-operative information may be used, for example, the position of the brain surface or US images localized in 3D. The new registration will compensate this problem, but only to a certain extent. Mechanical models of the brain have been developed as a solution to improve this registration. They allow to estimate brain deformation under certain boundary conditions. In the literature, there are a variety of methods for implementing these models, different equation laws used for continuum mechanic, and different reported mechanical properties of the tissues. However, a patient specific anatomical model is always required. Currently, most mechanical models obtain the associated anatomical model by manual or semi-manual segmentation. The aim of this thesis is to propose and implement an automatic method to obtain a model of the brain fitted to the patient's anatomy and suitable for mechanical modeling. The implemented method uses deformable model techniques to segment the most relevant anatomical structures for mechanical modeling. Indeed, the internal membranes of the brain are included: falx cerebri and tentorium cerebelli. Even though the importance of these structures is stated in the literature, only a few of publications include them in the model. The segmentation obtained by our method is assessed using the most used online databases. In addition, a 3D model is constructed to validate the usability of the anatomical model in a Finite Element Method (FEM). And the importance of the internal membranes and the variation of the mechanical parameters is studied
A generic framework for validation of medical simulations
No full textDans le cadre des simulations pour l'entrainement, le planning, ou l'aide per-opératoire aux gestes médicaux-chirurgicaux, de nombreux modèles ont été développés pour décrire le comportement mécanique des tissus mous. La vérification, la validation et l'évaluation sont des étapes cruciales en vue de l'acceptation clinique des résultats de simulation. Ces tâches, souvent basées sur des comparaisons avec des données expérimentales ou d'autres simulations, sont rendues difficiles par le nombre de techniques de modélisation existantes, le nombre d'hypothèses à considérer et la difficulté de réaliser des expériences réelles utilisables. Nous proposons un environnement de comparaison basé sur une analyse du processus de modélisation et une description générique des éléments constitutifs d'une simulation (e.g. géométrie, chargements, critère de stabilité) ainsi que des résultats (expérimentaux ou provenant d'une simulation). La description générique des simulations permet d'effectuer des comparaisons avec diverses techniques de modélisation (e.g. masse-ressorts, éléments finis) implémentées sur diverses plateformes de simulation. Les comparaisons peuvent être faites avec des expériences réelles, d'autres résultats de simulation ou d'anciennes versions du modèle grâce à la description commune des résultats, et s'appuient sur un ensemble de métriques pour quantifier la précision et la vitesse de calcul. La description des résultats permet également de faciliter l'échange d'expériences de validation. La pertinence de la méthode est montrée sur différentes expériences de validation et de comparaison de modèles. L'environnement et ensuite utilisé pour étudier l'influence des hypothèses de modélisations et des paramètres d'un modèle d'aspiration de tissu utilisé par un dispositif de caractérisation des lois de comportement. Cette étude permet de donner des pistes pour l'amélioration des prédictions du dispositif.Numerous models have been developed to describe the mechanical behavior of soft tissues for medical simulation. Verification, validation and evaluation are crucial steps towards the acceptance of simulation results by clinicians. These tasks, often based on comparisons between simulation results and experimental data or other simulations, are difficult because of the wide range of available modeling techniques, the number of possible assumptions, and the difficulty to perform validation experiments. A comparison framework is proposed based on the analysis of the modelisation process and on a generic description of both constitutive elements of a simulation (e.g. geometry, loads, stability criterion) and results (from simulations or experiments). Generic description allows comparisons between different modeling techniques implemented in various simulation platforms. Comparisons can be performed against real experiments, other simulation results or previous versions of a model thanks to the generic description of results and use a set of metrics to quantify both accuracy and computational efficiency. This description also facilitates validation experiments sharing. The usability of the method is shown on several validation and comparison experiments. The framework is then used to investigate the influence of modeling assumptions and parameters in a biomechanical finite element model of an in-vivo tissue aspiration device. This study gives clues towards the improvement of the predictions of the characterization device
Biomechanical modeling of the knee joint for computer assisted medical interventions
No full textPlusieurs modèles biomécaniques du membre inférieur ont été proposés dans la littérature avec divers objectifs tels que l'étude de la mécanique des articulations ou l'assistance aux interventions chirurgicales. Les modèles musculo-squelettiques (MS) basés sur des approches multi-corps permettent d'utiliser les données cinématiques et cinétiques collectées sur un sujet afin d’estimer les forces musculaires et de contact dans les articulations. Cependant, de tels modèles ne permettent pas d'étudier la mécanique locale des articulations. Les modèles continus de type éléments finis (EF) apportent une solution pour estimer cette mécanique de l'articulation et les déformations des tissus mous.Plusieurs travaux ont proposé de combiner les modèles MS et EF afin de relier les mesures cinétiques et cinématiques avec les réponses mécaniques des tissus. Des approches de type multi-échelles ont ainsi proposé d’exploiter les résultats issus de modèles MS comme données d’entrées de modèles EF, mais se limitent à des échanges de données entre différentes plateformes de modélisation. C’est la raison pour laquelle il nous est paru pertinent de viser à l’utilisation d’une plateforme de modélisation qui permette de combiner, dans le même environnement informatique, modèles MS et EF.Au cours de cette thèse, nous avons ainsi utilisé la plateforme de modélisation open-source Artisynth pour développer ces modèles combinés du membre inférieur. Nous avons dans un premier temps étudié les complications de l'ostéotomie tibiale de valgisation (OTV), une intervention chirurgicale visant à corriger l'axe du membre inférieur. Les modèles nous ont ainsi permis d’étudier les conséquences de l’OTV en termes de mécanique de l’articulation du genou. Ces mêmes modèles ont ensuite été utilisés pour simuler la marche et tenter de tester la compatibilité du modèle articulaire utilisé dans les modèles MS pilotés par méthodes inverses et celle des modèles EF pilotés par des méthodes directes.Le manuscrit de thèse est structuré en six parties. La première est une introduction au sujet d'un point de vue biomécanique et médical. Dans la deuxième partie, une revue systématique de la littérature a été menée concernant les complications chirurgicales de l'OTV afin d’identifier les domaines dans lesquels nous pourrons contribuer aux questions médicales et biomécaniques.Dans la troisième partie, nous avons collecté un ensemble de données sur un sujet sain comprenant les géométries des articulations, des muscles et des tissus conjonctifs, l'analyse quantifiée de la marche ainsi que des données d'imagerie pour l'évaluation des modèles. Cet ensemble de données sera également utilisé pour générer des modèles avec différents niveaux de complexité, allant des modèles MS incluant des jonctions muscle-tendon (MT) aux modèles EF incluant les muscles, les ligaments et les ménisques.Dans la quatrième partie, une simulation de flexion passive du genou a été réalisée et comparée à des données acquises en condition IRM. Une analyse de sensibilité a été réalisée concernant les paramètres des modèles. Des simulations ont été réalisées pour comparer des modèles utilisant une représentation EF des muscles quadriceps avec des modèles MS incluant des jonctions MT pour ces muscles.La cinquième partie est consacrée à l’utilisation de modèles pour étudier les complications de l'OTV, avec deux questions soulevées. La première concerne l'articulation tibio-fémorale et vise à étudier l'impact de la raideur du ligament collatéral médian sur la répartition des contraintes dans les compartiments du genou. La seconde question concerne les conséquences de la chirurgie sur l'articulation fémoro-patellaire avec en particulier l’impact sur la position de la rotule.La dernière partie du manuscrit décrit nos tentatives pour combiner les modèles MS et EF en vue de la simulation de la marche. Ce travail préliminaire a été mené en collaboration avec Raphaël Dumas (LMBC, Univ Eiffel-UCBL).Biomechanical models of the lower limb are generated with various objectives such as investigating joint mechanics, understanding different pathologies and assisting surgical interventions. Musculoskeletal (MS) models with multibody approaches provide the opportunity to use the kinematic and kinetic data obtained from a subject during an activity to estimate muscle forces and joint contact forces. However, it is not sufficient to directly investigate local mechanics of the joint. In this context, Finite Element (FE) models are used to help with the estimation of local joint mechanics and tissue response.Going from kinematic and kinetic data of a subject during an activity all the way to the tissue response using computer modelling requires the combination of FE and MS models. Progress in this sense has been made through multiscale modelling workflows were usually MS models are generated in one platform and then the corresponding results are exported to an FE modelling package. However, such a process could be challenging, restrictive and face compatibility issues. Thus, generating a model that combines the multibody and FE techniques in the same platform could act as the required foundation to open new perspectives for inverse and forward simulations.To this aim, the first goal of this thesis was to use the Artisynth open-source modelling platform to build combined FE-multibody models of the lower limb, demonstrate and test various modelling possibilities. The objectives of the thesis are not limited to model generation. The importance of such a modelling is indeed validated when using it for an application contributing to medical or biomechanical fields. Therefore, we focused on the complications of the high tibial osteotomy (HTO) that is an orthopedic surgery performed on patients with lower limb deformity. Combined modelling technique was used to broaden our understanding from HTO complications. Followed by that, we used the combined model for a simulation of gait and made an attempt to test consistency of joint modelling between inverse multibody MS models and forward based deformable models.To cover the various objectives envisioned for this project, the manuscript is structured in six main parts. The first part is an introduction to the topic from biomechanical and medical perspectives. In the second part a systematic review of the literature was conducted on surgical complications of HTO to find the areas where we can contribute to the medical and biomechanical studies on the topic.In the third part, we created a complete dataset of a healthy subject containing information such as joint, muscle, articular and connective tissue geometries, gait analysis and imaging data for assessing the models. This dataset can be used for the generation of models with various complexity levels ranging from MS models with muscle-tendon (MT) parts to FE models of the muscles and the joint.In the fourth part, a passive deep knee simulation was designed to demonstrate and evaluate various modelling possibilities. Sensitivity analysis was performed on different models and the use of FE muscle models versus MT parts for the quadriceps muscle group was investigated.In the fifth part, models were designed to study the complications of HTO in order to answer two questions. The first question concerned the tibiofemoral joint and to see the impact of medial collateral ligament tightness on stress distribution in the two compartments. The second question concerned the consequences of the surgery on the patellofemoral joint and to see if such a surgery can impact the position of the patella.In the last part, we have stepped further through a collaborative work towards the application of our combined FE-multibody model with MT parts for gait simulation. This preliminary work was conducted to evaluate the consistency of joint modelling in the inverse multibody MS models with the forward based models with deformable joints
Experimental and numerical approach for the biomechanical modeling of the sacral soft tissues in the context of pressure ulcer prevention
No full textUne escarre est définie, selon les sociétés savantes européenne et américaine (NPUAP et EPUAP) de prévention des plaies de pressions, comme : une lésion localisée dans la peau et/ou les tissus sous-jacents, généralement sous une proéminence osseuse, suite l’application d’une pression combinée ou non avec une cisaillement.L'escarre non traitée ou ses complications peuvent dans des cas extrêmes entraîner la mort. Par exemple en Espagne, de 1999 à 2016, l'escarre a été répertoriée comme cause de décès de 11238 personnes de plus de 65 ans (Verdú-Soriano et al. 2021). Les escarres ont également un impact important sur l'état psychologique de la personne atteinte (Upton et South 2011).La prise en charge clinique des escarres représente également des coûts financiers importants pour la société. Une étude a estimé que le coût du traitement des escarres au Royaume-Uni pourrait atteindre 14108 £ pour chaque escarre de grade 4 (Dealey et al. 2012). Tandis que les dernières recherches (Downie et al. 2013) sur la base d'une étude clinique de 12 mois dans cinq hôpitaux britanniques suggèrent que 43 % des escarres de grades 3 et 4 pourraient être évitées.Les recherches actuelles axées sur le développement de stratégies de prévention des escarres comprennent le développement de nouveaux protocoles d'évaluation des risques ainsi que des recherches sur les biomarqueurs des lésions de pression et les paramètres mécaniques qui pourraient aider à la prise de décision. Il a été démontré, sur des données issues d’un modèle de rat, qu'il existe une corrélation entre les lésions tissulaires induites par la compression et les déformations mécaniques de ces tissus (Ceelen et al. 2008). Plusieurs modèles numériques, principalement basés sur l'analyse par éléments finis (EF), ont alors été proposés dans la littérature pour estimer les déformations tissulaires résultant de l'interaction mécanique du corps humain avec des dispositifs externes.Par ailleurs, selon les chiffres rapportés dans une étude nationale de prévalence sur des patients hospitalisés en France, les régions du sacrum (29 %) et du talon (53 %) ont été signalées comme les deux sites anatomiques les plus courants pour le développement d’escarres (Barrois et al. 2008). Ce travail de thèse a choisi de focaliser sur le sacrum comme objet d’étude.Comme le montrent plusieurs travaux de recherche, la réponse mécanique d’un modèle EF est très sensible aux données d'entrée (géométrie (Moerman et al. 2017), lois de comportements des matériaux (Luboz et al. 2014) et conditions aux limites). Construire des modèles mécaniques patients-spécifiques est une tâche fastidieuse mais sans doute incontournable pour évaluer avec précision les facteurs de risque. Il est cependant clair que les contraintes de l'environnement clinique nécessitent une méthodologie requérant un minimum de temps pour générer de tels modèles. L'IRM 3D est souvent considérée comme une technique de référence pour collecter les données géométriques mais reste un examen coûteux et difficilement accessible.Comme solution alternative, l'échographie US 2D en mode B a été mentionnée car prometteuse pour étudier les risques de plaies de pressions (Akins et al. 2016). L'objectif principal de ce travail de thèse est d'évaluer les éventuels biais introduits par l'utilisation de modèles EF 2D construits à partir de données US en lieu et place de modèles EF 3D basés sur l’IRM. Pour cette comparaison, nous focaliserons sur l'analyse des intensités et des localisations des déformations internes des tissus mous puisque ces déformations mécaniques sont supposées êtres des marqueurs du risque d’escarre sacrée.Ce doctorat a été financé par le projet H2020 ETN “Skin Tissue INTegrity under Shear” (H2020-MSCA-ITN-2018 STINTS). L'objectif de ce projet STINTS est de mieux comprendre les facteurs biomécaniques et biochimiques complexes responsables des dommages cutanés en réaction à des frottements, des pressions prolongées et des forces de cisaillement.A Pressure Ulcer (PU) is defined, according to National and European Pressure Ulcer Advisory Panels (NPUAP and EPUAP) as: “a localized injury to the skin and/or underlying tissue usually over a bony prominence, as a result of pressure, or pressure in combination with shear.” According to epidemiology studies, a PU is a complication primarily related to the care and treatment of individuals who have difficulty moving or changing positions: based on the study conducted in hospitals from five European countries, a PU prevalence of 18% was observed (Vanderwee et al. 2007).In the worst case, untreated PU or its complications could lead to death; from 1999 to 2016 in Spain, PU was listed as a cause of death for 11238 people over 65 years old (Verdú-Soriano et al. 2021). PUs also have an important impact on the psychological state of the person affected (Upton and South 2011). They can potentially lead to social isolation and worsening of the existing medical condition.The clinical management of PUs also represents a financial burden for society. A study by Dealey et al. estimated that the cost of PU treatment in United Kingdom could be as high as £ 14108 for a grade 4 PUs (Dealey et al. 2012). Meanwhile, the latest research by Downie et al. (Downie et al. 2013) based on a 12 months-long study in five UK hospitals suggests that 43% of the grades 3 and 4 PUs could be preventable.Current research oriented on the development of PU prevention strategies includes the development of new risk assessment protocols, sensors, research on pressure injury biomarkers, and mechanical parameters that could help in the decision-making process. It has been shown, in a rat model, that there exists a correlation between compression-induced tissue damage and mechanical strain (Ceelen et al. 2008). Based on this evidence, several numerical models, mostly based on Finite Element Analysis, have been proposed in the literature to estimate tissue deformations resulting from the mechanical interaction of the body with external devices. Moreover, according to figures reported in a National Prevalence Study in French Hospital patients, sacral 29% and heel 53% regions have been reported to be the two most common anatomical sites for PU development (Barrois et al. 2008). The sacrum was therefore chosen in this study as the investigation location.As shown in several studies, the mechanical response is very sensitive to the input data (geometry (Moerman et al. 2017), material properties (Luboz et al. 2014), and boundary conditions). Building patient-specific mechanical models for the prediction of strain localization is a long and tedious task but seems necessary to accurately evaluate the risk factors. It is clear that to bring the research findings to the clinical environment, an accessible minimally time-consuming technique should be employed. 3D MRI is often considered a benchmark technique for collecting the geometrical data of Finite Element (FE) models, but it remains a costly and not easily accessible exam. On the other hand, 2D B-mode Ultrasound (US) was investigated as a promising image modality in relation to PU (Akins et al. 2016; Swaine et al. 2018). The main objective of this PhD project is to evaluate the possible biases introduced by using 2D US-derived FE models in place of 3D MRI-derived FE models for the analysis of strain intensities and localizations in relation to personalized sacral PU risk assessment.The PhD project is part of the H2020 European Training Network “Skin Tissue INTegrity under Shear” (H2020-MSCA-ITN-2018 STINTS). The aim of the STINTS project is to get a better understanding of complex biomechanical and biochemical factors responsible for skin damage in reaction to prolonged pressure, shear forces, and friction. My PhD project focuses on the development of subject-specific FE models of buttock soft tissues to evaluate the intensities and localizations of strains when the body interacts with supporting surfaces
Definition of a methodology to evaluate finite element models of the human heel for the prevention of pressure ulcers
No full textLes coûts associés à la prise en charge des escarres sont considérés comme très importants dans de nombreux pays puisqu'ils se chiffrent en milliards d'euros. La prévalence des ulcères chez les patients hospitalisés est d'environ 10 %, le talon et le sacrum étant les sites les plus courants. Ces deux localisations corporelles sont sensiblement différentes en termes d'anatomie, d'histologie et de configurations de chargement, c'est pourquoi cette thèse se concentrera spécifiquement sur la prévention des ulcères du talon. Précisément, chez un patient allongé sur le dos, les forces mécaniques, provenant du poids de sa jambe et de son pied, sont transférées à l'os du talon, le calcanéum, à travers une couche relativement mince de tissus mous qui comprend la graisse, la peau, les muscles et tendons. Au fil du temps, ces tensions internes dans les tissus et les cellules peuvent provoquer une dégradation des tissus et déclencher une escarre. Par conséquent, une solution pour suivre les contraintes internes et alerter lorsque leurs valeurs sont trop élevées pourrait contribuer à la prévention des escarres du talon. Il s'agit d'une tâche complexe car il n'est pas possible de mesurer directement les contraintes qui se produisent dans les couches profondes du corps. L'imagerie médicale, les mesures externes et les dissections cadavériques ne peuvent offrir chacune qu'une information partielle nécessaire pour bien comprendre le rôle des structures internes. Par conséquent, la seule possibilité de mesurer les déformations en temps réel qui se produisent dans les couches profondes résultant de la charge appliquée sur la surface de la peau sont des simulations informatiques. À cet égard, la modélisation par éléments finis (FE) est une technique qui permet de prédire la performance des systèmes structurels et mécaniques. Ces simulations fournissent des informations cliniques utiles qui sont difficiles à mesurer avec des procédures expérimentales. Au cours de la dernière décennie, les premiers modèles de talon EF ont commencé à être développés afin de simuler la propagation des contraintes dans le talon lorsque le sujet est allongé sur un lit ou pendant la marche. Cependant, l'intervariabilité en termes de morphologies tissulaires et de propriétés mécaniques des tissus en fait une tâche complexe nécessitant des modèles spécifiques au sujet. De plus, le talon est en lui-même une structure complexe impliquant une structure spécifique, la talonnière, située dans la partie inférieure, composée de différents tissus aux propriétés mécaniques différentes en contact étroit les uns avec les autres. Les modèles FE sont des simulations complexes qui nécessitent une méthodologie cohérente et robuste pour la validation par des mesures expérimentales rigoureuses. Dans la littérature, il y a des lacunes principales à cet effet. Premièrement, la rareté des tests expérimentaux pour définir les propriétés matérielles in vivo du coussinet adipeux humain. En général, les chercheurs continuent d'implémenter dans leurs modèles actuels des paramètres faisant référence à des études obsolètes réalisées sur des échantillons ex vivo. Deuxièmement, peu a été fait pour établir la validité des modèles FE via des mesures expérimentales. Habituellement, les données d'études antérieures dans la littérature sont utilisées pour comparer les résultats des pressions de contact et de la propagation des contraintes dans les tissus internes. Cependant, comme toutes les études publiées souffrent des mêmes limites, elles ne fournissent aucune validation significative des résultats.Cela nous amène donc à l'objectif principal de recherche de cette thèse : "Définition d'une nouvelle méthodologie pour évaluer les modèles d'éléments finis du talon humain pour la prévention des escarres".The costs associated with the management of pressure ulcers are considered to be very significant in many countries being on a scale of billions of euros. The prevalence of ulcers in hospitalized patients is around 10% with the heel and sacrum being the most common sites. These two body locations are substantially different in matters of anatomy, histology and loading configurations, for this reason, this thesis will specifically focus on the prevention of heel ulcers. Precisely, in a patient laying on his back, the mechanical forces, originating by the weight of his leg and the foot are transferred to the heel bone, the calcaneus, through a relatively thin layer of soft tissues which includes fat, skin, muscle and tendons. Over time, these internal strains in tissues and cells can cause tissue breakdown and start a pressure ulcer. Therefore, a solution to track internal strains and alert when their values are too high could contribute in the prevention of heel pressure ulcers. This is a complex task as it is not possible to measure directly the strains that occur in the deep layers of the body. Medical imaging, external measurements, and cadaveric dissections can each offer only a partial information required to fully understand the role of the internal structures. Hence the only possibility to measure real time strains that occur in deep layers resulting from loading applied on the skin surface are computational simulations. In this regard, finite element (FE) modeling is a technique that permits for prediction of the performance of structural and mechanical systems. These simulations provide useful clinical information which is difficult to measure with experimental procedures. In the last decade the first FE heel models started to be developed in order to simulate the stress propagation in the heel while the subject is laying on a bed or during gait. However, the intervariability in terms of tissue morphologies and mechanical tissue properties makes this a complex task requiring subject specific models. Additionally the heel is by itself a complex structure involving a specific structure, the heel pad, situated in the lower part, composed by different tissues with different mechanical properties in close contact between each other. FE models are complex simulations that require a consistent and robust methodology for validation through rigorous experimental measurements. In literature there are to main gaps to this purpose. First, the scarcity of experimental tests to define in vivo material properties of the human fat pad. In general researchers keep implementing in their current models parameters that refer to outdated studies made on ex vivo specimens. Second, little has been done little to establish the validity of FE models via experimental measurements. Usually data from previous studies in literature is used to compare the results of contact pressures and strain propagation in internal tissues. However, as all published studies suffer from the same limitations, they not provide any meaningful validation of the results.This therefore leads us to the main research purpose of this thesis: «Definition of a new methodology to evaluate finite element models of the human heel for pressure ulcer prevention»
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Constraint-based biomechanical simulation of the brain for the intraoperative brain-shift compensation
No full textObjectif: Lors de l’ablation de tumeurs cérébrales, la navigation chirurgicale est basée sur les examens IRM pré-opératoires. Or, la déformation per-opératoire du cerveau, appelée brain-shift, affecte cette navigation. Dans cette thèse, une méthode de compensation du brain-shift intégrable dans un processus clinique est présentée.Méthode: Avant la chirurgie, un modèle biomécanique patient-spécifique est construit à partir des images pré-opératoires. Il intègre la géométrie des tissus mous mais également des vaisseaux. Pendant l’opération, des acquisitions échographiques localisées sont réalisées directement en contact avec le cerveau. Les modalités mode B et Doppler sont enregistrées simultanément, permettant respectivement l’extraction des vaisseaux et de l’empreinte de la sonde. Une simulation biomécanique est ensuite jouée pour compenser le brain-shift. Différentes contraintes sont appliquées au modèle de cerveau afin de modéliser les contacts avec la dure-mère, recaler les vaisseaux pré- et per-opératoires et contraindre la surface corticale avec l’empreinte de la sonde. Lors de la résection de tumeurs profondes, la trajectoire chirurgicale est également contrainte au sein de la cavité réséquée afin de retrouver les déformations latérales induites par l’écartement des tissus. Les images IRM pré-opératoires ont finalement mises à jour suivant le champ de déformation du modèle biomécanique.Résultats: La méthode a été évaluée quantitativement à partir de données synthétiques et cliniques de cinq patients. De plus, l’alignement des images a également été apprécié qualitativement, au regard des attentes des neurochirurgiens. Des résultats très satisfaisants, de l’ordre de 2 mm d’erreur, sont obtenus à l’ouverture de la dure-mère et dans le cas de résection de tumeurs en surface. Lors de la résection de tumeurs profondes, si la trajectoire chirurgicale permet de retrouver une grande partie des déformations induites par l’écartement des tissus, plusieurs limitations dues au fait que cette rétraction ne soit pas effectivement simulée sont montrées.Conclusion: Cette thèse propose une nouvelle méthode de compensation du brain-shit efficace et intégrable au bloc opératoire. Elle aborde de plus le sujet peu traité de la résection, en particulier de tumeurs profondes. Elle présente ainsi une étape supplémentaire vers un système optimal en neurochirurgie assistée par ordinateur.Purpose: During brain tumor surgery, planning and guidance are based on preoperative MR exams. The intraoperative deformation of the brain, called brain-shift, however affect the accuracy of the procedure. In this thesis, a brain-shift compensation method integrable in a surgical workflow is presented.Method: Prior to surgery, a patient-specific biomechanical model is built frompreoperative images. The geometry of the tissues and blood vessels is integrated. Intraoperatively, navigated ultrasound images are performed directly in contact with the brain. B-mode and Doppler modalities are recorded simultaneously, enabling the extraction of the blood vessels and probe footprint, respectively. A biomechanical simulation is then executed in order to compensate for brain-shift. Several constraints are imposed to the biomechanical model in order to simulate the contacts with the dura mater, register the pre- and intraoperative vascular trees and constrain the cortical surface with the probe footprint. During deep tumors resection, the surgical trajectory is also constrained to remain inside the cavity induced by the resected tissues in order to capture the lateral deformations issued from tissues retraction. Preoperative MR images are finally updated following the deformation field of the biomechanical model.Results: The method was evaluated quantitatively using synthetic and clinical data. In addition, the alignment of the images was qualitatively assessed with respect to surgeons expectations. Satisfactory results, with errors in the magnitude of 2 mm, are obtained after the opening of the dura mater and for the resection of tumors close to the cortical surface. During the resection of deep tumors, while the surgical trajectory enable to capture most of the deformations induced by tissues retraction, several limitations reflects the fact that this retraction is not actually simulated.Conclusion: A new efficient brain-shift compensation method that is integrable in an operating room is proposed in this thesis. The few studied topic of the resection, and more specifically of deep tumors, is also addressed. This manuscript thus present an additional step towards an optimal system in computer assisted neurosurgery
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