Modélisation du comportement dynamique des implants utilisés en arthroplastie totale de hanche – MoDyBe

La pose de prothèse totale de hanche est la chirurgie orthopédique la plus répandue avec 150,000 patients traités par an en France. La plupart des chirurgies sont réalisées par la technique du press-fit sans ciment, qui consiste à s’assurer de la stabilité primaire de l’implant lors de son insertion grâce aux précontraintes de l’os autour de l’implant. Les implants sont insérés dans l'os à l'aide d'impacts réalisés avec un marteau orthopédique. Le taux de révision reste élevé, ce qui entraine des conséquences pour le patient et le système de santé. La stabilité de l’implant est déterminante pour la réussite chirurgicale.
Le laboratoire Modélisation et Simulation Multi Echelle (MSME, UMR CNRS) et l’Institut Mondor de Recherche Biomédicale (IMRB, UMR INSERM) ont développé un prototype de marteau orthopédique instrumenté permettant d’accéder et d’analyser la variation temporelle de la force appliquée durant un impact entre le marteau et l’ancillaire. Cette technique permet d’évaluer la stabilité primaire de la tige fémorale et de la cupule acétabulaire pendant la chirurgie. Cependant, cette méthode est encore immature car le comportement dynamique multi-échelle et multiphysique de l'interphase os-implant reste mal connu. Pour aller au-delà de l'empirisme, l’approche manque de méthodes mathématiques rigoureuses permettant d'accéder aux propriétés géométriques et physiques de l'interphase os-implant à l'aide d'un nombre limité de mesures in vivo.
Les hypothèses de recherche peuvent être formulées par quatre questions fondamentales : i) Quels sont les modèles biomécaniques appropriés pour comprendre le comportement dynamique multiéchelle et multiphysique du système os-implant ? ii) Quelles sont les méthodes numériques à haute performance appropriées pour simuler avec précision l'interaction os-implant soumise à des excitations dynamiques ? iii) Quelles méthodes d'inversion robustes peuvent être employées pour évaluer les quantités d'intérêt de l'interaction os-implant telles que l’aire de contact os-implant ? iv) Comment des essais cliniques préliminaires peuvent-ils être réalisés pour valider nos modèles directs et inverses ainsi que le dispositif expérimental en cours de développement ?
Quatre principaux objectifs sont poursuivis. Le premier objectif consistera à obtenir des modèles biomécaniques pour comprendre le comportement dynamique à plusieurs échelles du système os-implant sur la base des configurations expérimentales. Le deuxième objectif consistera à développer des méthodes de calcul à haute performance pour la simulation du problème direct de l'interaction os-implant sous des excitations dynamiques. Le troisième objectif consistera à développer des méthodes d'inversion robustes basées sur des méthodes de réduction de modèle pour évaluer les quantités d'intérêt correspondant à l'interaction os-implant telles que les contraintes appliquées à l'interface ainsi que l’aire de contact os-implant. Afin d'obtenir des simulations en temps réel utiles pour aider le chirurgien dans son évaluation, des modèles de substitution seront développés à partir des modèles réduits et de méthodes de machine learning. Le quatrième objectif sera de valider notre approche avec des essais cliniques préliminaires, ce qui permettra une comparaison avec les résultats numériques.
MoDyBe mettra en place une méthodologie multi-échelle et multiphysique originale, basée sur le couplage de : i) un essai clinique préliminaire, ii) le développement de modèles multi-échelle et multiphysique tenant compte des propriétés du matériau osseux et de son environnement, et iii) des méthodes de simulation avancées incluant des approches d'inversion basées sur des modèles réduits et de méthodes de machine learning.
Le succès de MoDyBe qui associe le laboratoire MSME, l’IMRB et l’équipe Factas de l’INRIA, sera assuré via les compétences complémentaires du consortium en modélisation biomécanique, en problèmes inverses et en chirurgie implantaire.