Ecole Doctorale

Sciences du Mouvement Humain

Spécialité

Sciences du Mouvement Humain - MRS

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

biomécanique,orthèse plantaire,modélisation par éléments finis,réduction de modèles,impression 3D,

Keywords

biomechanics,foot orthosis,finite element modelling,model order reduction,3-D printing,

Titre de thèse

procédé de conception et de fabrication de semelle orthopédique 3d sur mesure : simulation numérique, évaluation biomécanique et système expert
design and manufacturing process of 3d printed custom-made foot orthosis : numerical simulation, biomechanical assessment and expert system

Date

Jeudi 22 Octobre 2020 à 14:00

Adresse

Faculté des sciences médicales et paramédicales secteur Timone 27 boulevard Jean Moulin, 13385 Marseille salle de conférence

Jury

Directeur de these M. Michel BEHR Université Gustave Eiffel
Rapporteur M. Sébastien LAPORTE ENSAM
Rapporteur Mme Caroline DECK Laboratoire des sciences de l'Ingénieur, de l'Informatique et de l'Image (ICube)
Examinateur M. Carl-Eric AUBIN Polytechnique Montréal, Département de génie mécanique
Examinateur M. Jean-Camille MATTEI Assistance publique Hopitaux de Marseille

Résumé de la thèse

Les troubles de l’appui plantaire touchent près de 20% de la population. Bien que les Semelles Orthopédiques sur mesure (SO) soient des solutions de traitement thérapeutique largement utilisées, l’évaluation de leur efficacité reste toutefois difficile en raison de nombreuses variabilités liées aux approches traditionnelles de conception et de fabrication ainsi qu’aux profils pathologiques spécifiques des patients. Une meilleure compréhension de leurs mécanismes fonctionnels devient alors un enjeu majeur auquel les solutions de SO imprimées 3D, intégrées dans un processus de développement entièrement numérisé, cherchent à répondre. L’objectif de ce travail est de proposer une nouvelle approche pour l’évaluation et la prédiction de l’influence de SO imprimées en 3D sur le déroulé du pas et ainsi permettre le développement d’un outil d’aide à la conception en temps réel. Cette approche est basée sur le couplage de modèles éléments finis de pieds pathologiques et de semelles et sur l’analyse de leurs interactions par des outils d’apprentissage automatique. Dans un premier temps, une analyse des mécanismes fonctionnels du pied a permis d’identifier les pieds dits à tendance pronatrice et supinatrice comme étant associés à de nombreuses pathologies. Une revue des principaux critères d’évaluation et d’identification de ces troubles a par ailleurs été conduite. Dans un deuxième temps, un modèle éléments finis de pied générique a été développé puis validé en condition dynamique de marche. Afin de reproduire et prédire en temps réel une large gamme de comportements pathologiques, une méthodologie s’appuyant sur une étude paramétrique du pied et une stratégie de réduction de modèle est proposée. Enfin, ces modèles et méthodes ont été appliqués à l’évaluation de l’influence d’une semelle 3D paramétrable sur le comportement dynamique d’un pied pathologique. Nos résultats mettent en évidence l’efficacité des méthodes de réduction de modèles couplées à la modélisation par éléments finis pour la réalisation d'un outil d’aide à la décision pour la planification thérapeutique en podologie.

Thesis resume

Foot pain affects about 20% of the population. Although custom-made foot orthoses (FO) are widely used therapeutic solutions, assessing their effectiveness remains difficult because of numerous variabilities related to traditional design and manufacturing approaches and patient-specific pathological conditions. Improving the comprehension of the functional mechanisms of the FO is also a major challenge that 3D printing solutions, integrated in a fully digitalized workflow, seek to address. The purpose of this work is to provide a new approach for evaluating and predicting the influence of 3D printed FO during the stance phase of walking and thus enable the development of a real-time design support tool. This approach is based on the combination of pathological feet and FO finite element models and on the analysis of their interaction by machine learning algorithms. First, an analysis of the foot’s functional mechanisms revealed that flat and cavus feet are associated with many foot pathologies. A review of the main criteria used to evaluate and identify these disorders was also conducted. Then, a generic foot finite element model was developed and validated in dynamic walking condition. In order to simulate and predict in real time a wide range of these pathological behaviours, a methodology based on a parametric study of the foot and a model order reduction technique is proposed. Finally, these models and methods have been used to assess the influence of 3D printed FO parameters on the dynamic behaviour of a pathological foot. Our results highlight the effectiveness of model order reduction methods coupled with finite element modelling for the implementation of a decision support tool for therapeutic planning in podiatry.