CE45 - Interfaces: mathématiques, sciences du numérique –biologie, santé

Caractérisation ultrasonore de l'interface entre l'os et un implant dentaire basée sur la modélisation – DynImplant

Résumé de soumission

Les implants sont utilisés de façon routinière en chirurgie orale. Cependant, des risques d'échecs restent difficilement prévisibles. Le facteur déterminant du succès chirurgical de l’implant est la stabilité de l’implant juste après l’insertion et durant la période d’ostéointégraion. Les raisons des échecs d'implant, qui sont liés aux propriétés biomécaniques de l'interface os-implant (BII), ne sont pas bien comprises du fait d’un manque d'information sur les propriétés de la BII.

Un prototype basé sur la méthode d’ultrasonore quantitative (QUS) a été récemment développé afin d’évaluer la stabilité de l'implant. Ce dispositif permet d’évaluer les stabilités primaire et secondaire des implants dentaires en utilisant les QUS pour caractériser l'évolution temporelle des propriétés de la BII. Cependant, cette technique est encore immature car le comportement multi-échelle en régime dynamique de la BII reste incertain. Ainsi, seules des relations empiriques entre les propriétés de la BII et sa réponse ultrasonore ont pu être établies. Afin de surmonter cette limite, il est nécessaire de disposer d’outils mathématiques rigoureux et efficaces pour résoudre les problèmes direct/inverse permettant de caractériser les propriétés de la BII en utilisant un nombre limité de mesure in vivo.

L'objectif général de DynImplant est de développer (i) des modèles physiques avancés pour décrire les propriétés en régime dynamique de la BII ; (2) des méthodes numériques efficaces et adaptées pour la simulation directe de l’interaction entre la BII et une onde ultrasonore ; (3) une procédure d'inversion de forme d'onde complète robuste basée sur une fonction originale d'inadéquation des données, qui sera optimisée en utilisant des stratégies adaptées basées sur l'apprentissage automatique. Notre approche sera validée in vitro et dans des investigations humaines préliminaires. Pour ce faire, trois développements mathématiques sont visés :
Premièrement, on développera des modèles biomécaniques décrivant le comportement dynamique multi-échelle de la BII en fonction de l'environnement autour de l'implant. Le modèle de la BII doit décrire (i) la nature micro-structurée et évolutive en temps du tissu osseux ; (2) les phénomènes de frottement/adhésion avec une rugosité multi-échelle. Des techniques d'homogénéisation en dynamique seront utilisées.

Deuxièmement, on développera un solveur de calcul à haute-performance pour la simulation des phénomènes de diffusion multiple multi-échelles. Un schéma explicite basé sur la technique des éléments finis à l’ordre élevé de type isogéométrique sera développé. La rugosité multi-échelle et les modèles physiques de BII (voir le premier objectif) seront considérés.
Troisièmement, on développera une procédure d’inversion robuste permettant d’identifier la qualité du contact os-implant en temps réel. Le schéma d'inversion doit permettre d'analyser et de classifier efficacement les signaux obtenus en exploitant de données massives générées par simulations. Un algorithme d’inversion basé des modèles réduits et la technique « machine learning » sera développé.

Les performances des modèles physiques et numériques seront validées en utilisant des données obtenues in vitro et des investigations préliminaires clinique.

L'originalité de DynImplant réside dans la synergie entre modélisation acoustique, le calcul haute performance et les expérimentations cliniques. DynImplant conduira à une meilleure compréhension des causes d'échec implantaire ainsi qu'au développement de nouvelles méthodes de caractérisation de l'interface os-implant. Le succès de DynImplant sera assuré grâce aux compétences spécialisées et complémentaires du consortium comme : modélisation multi-échelle (MSME), simulation de la propagation d’ondes (MSME, LAGA), problème d’inverse (LAGA), chirurgie implantaire (CHU-Nantes) et développement des dispositifs médicaux (WaveImplant)

Coordination du projet

Vu-Hieu Nguyen (Modélisation et simulation multi-échelle)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

WAVEIMPLANT
MSME Modélisation et simulation multi-échelle
PHU 4 Centre Hospitalier Universitaire de Nantes
LAGA - Université Paris Nord - Paris 13 Université Paris Nord Paris 13

Aide de l'ANR 633 244 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2022 - 48 Mois

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