Approche multi-échelle pour la modélisation personnalisée du système musculo-squelettique – MIME

Contexte.
La modélisation corps rigides du système Musculo-Squelettique (MSK), combinée à la simulation du mouvement, aux méthodes d’optimisation et aux mesures non-invasives, est aujourd’hui largement exploitée pour de nombreuses applications. Ces modèles corps rigides dédiés à la simulation du mouvement intègrent une représentation filaire des muscles : ils ne représentent donc pas l’interaction entre les muscles ni de leur changement de forme durant une contraction. L’un des prochains défis scientifiques reconnu par la communauté sera l’intégration de modèles déformables volumiques du muscle dans les représentations du système MSK. Les solutions technologiques aujourd’hui privilégier pour répondre à ce défi sont majoritaire axées sur des méthodes développées en animation physiquement réaliste d’objets déformables.

Objectifs.
Ce projet de recherche a pour ambition de développer une modélisation multi-échelle du système MSK, en couplant des modèles volumiques déformables à la simulation du mouvement.

Méthodologie.
L’approche retenue s’appuie sur les compétences multidisciplinaires présente au sein de notre jeune équipe de recherche, pour développer une modélisation personnalisée multi-échelle du membre inférieur. Un modèle multi-corps rigides avec une modélisation détaillée des articulations et une représentation filaire des muscles servira aux calculs de dynamique inverse et de calcul des efforts musculaires par optimisation (tâche 5). Ces données serviront à piloter un modèle détaillé déformable du système MSK (tâche 6), pour fournir de nouvelles conditions aux limites dans la phase de calcul des efforts musculaires par optimisation (approche itérative, tâche 3). Le modèle détaillé déformable s’appuie sur une représentation déformable volumique des muscles : des approches récentes en méthodes numériques pour l’ingénierie seront envisager pour une modélisation robuste et rapide du muscle adaptée à la simulation dynamique (tâche 4). La géométrie des deux précédents modèles sera personnalisée à partir d’images IRM (tâche 3). Chaque modèle sera validé au regard d’expérimentations in vivo dédiées (tâches 1 et 2). La validation de l’approche globale (tâche 7) conduira à un modèle exploité pour l’analyse des mécanismes musculaires conduisant à une articulation fémoro-patellaire pathologique.

Retombées.
Ce projet conduira à plusieurs résultats notables : une approche validée multi-échelle et personnalisée pour le calcul des efforts musculaires, un modèle détaillé déformable du système MSK, l’amélioration de méthodes tant de dynamiques directes que d’optimisation pour le calcul des efforts musculaires, un outil de personnalisation géométrique, et des données in vivo pour l’analyse des mécanismes de la contraction musculaire.
Ce projet explore un domaine de recherche nouveau pour l’équipe d’accueil, en accord avec son programme de recherche. En particulier, le porteur de projet a été récemment recruté afin de développer cette thématique, et fournir des outils adaptés à de nombreuses applications (ergonomie, protection des usagers…).