Soutenance de thèse de Barthélémy FAUDOT

L’arthrose de la main est une pathologie multifactorielle qui provoque une dégénérescence progressive des articulations touchées. Cette pathologie handicapante engendre des douleurs et une impotence fonctionnelle empêchant le bon usage des mains dans la vie quotidienne. Malheureusement, le manque de connaissance du fonctionnement biomécanique de la main lors de la préhension et le manque de quantification des chargements mécaniques internes ne permettent pas une compréhension complète de cette pathologie. Par conséquent, les chirurgiens ne disposent pas de l’ensemble des éléments de compréhension biomécanique nécessaires pour optimiser les traitements chirurgicaux. L’objectif de ce travail de thèse a donc été de développer un jumeau numérique de la main permettant à la fois de mieux comprendre les causes d’apparition et de développement de l’arthrose et d’évaluer les performances mécaniques des traitements chirurgicaux. Ce jumeau numérique a été développé à partir de données d’imagerie médicale et de mesures expérimentales périphériques de préhension et via une modélisation hybride musculosquelettique et éléments finis. Dans cette démarche, la géométrie des structures anatomiques a été représentée tout en leur attribuant des propriétés matériaux spécifiques et en considérant l’action mécanique des muscles et des tendons qui les mobilisent. Ces outils méthodologiques ont ensuite été utilisés pour estimer les chargements mécaniques aux articulations du pouce, de l’index et du poignet. Les estimations des intensités des pressions de contact articulaires ont permis d’éclairer l’influence du facteur mécanique dans l’apparition et le développement de l’arthrose de certaines articulations spécifiques de la main, alors que ces observations cliniques ne trouvaient jusqu’alors pas d’explications. À l’aide de ce jumeau numérique, des chirurgies virtuelles ont également été simulées pour comparer différents traitements chirurgicaux. Les contraintes mécaniques dans deux implants pour l’arthrodèse partielle du poignet ont été comparées lors de tâches de préhension et de manipulation. Les résultats de ces simulations quantifient les avantages des deux techniques et permettent ainsi aux chirurgiens un choix éclairé du meilleur traitement. De plus, une étude sur l’influence de l’angle d’arthrodèse de l’articulation distale de l’index sur la biomécanique de la main a permis d’apporter des éléments de décision supplémentaires sur le choix optimal de l’angle d’arthrodèse. En conclusion, ce travail montre que ce jumeau numérique de la main est un outil important pour fournir des données quantifiées qui permettent une meilleure compréhension des facteurs de risques de l’arthrose et des conséquences des traitements chirurgicaux. À plus long terme, ce type de modélisation vise à aider les chirurgiens au diagnostic et à la prise de décision clinique sur la base de données individualisées pour une meilleure prise en charge de chaque patient.

Hand osteoarthritis is a multifactorial disease that leads to a progressive degeneration of the affected joints. This disabling pathology causes pain and functional impotence preventing the proper use of the hands in daily life. Unfortunately, the lack of knowledge of hand biomechanics during gripping tasks and the lack of quantification of internal loadings do not allow a complete understanding of this pathology. As a result, surgeons do not have all the biomechanical necessary understanding to optimise surgical treatments. Therefore, the objective of this Ph.D. work was to develop a digital twin of the hand that would allow a better understanding of the causes of the occurrence and development of osteoarthritis and an evaluation of the mechanical performance of surgical treatments. This digital twin was developed using medical imaging data and experimental gripping measurements, and by combining musculoskeletal and finite element modelling. In this approach, the geometry of anatomical structures was represented while assigning specific material properties and considering the mechanical action of the muscles and tendons which mobilise them. These methodological tools were then used to estimate the mechanical loadings at the thumb, index, and wrist joints. The estimation of joint contact pressures allowed to clarify the influence of the mechanical factor in the occurrence and development osteoarthritis in specific joints of the hand, although these clinical observations had not previously been explained. Using this digital twin, virtual surgeries were also performed to compare different surgical treatments. Mechanical stresses in two implants for partial wrist arthrodesis were compared during gripping and manipulation tasks. The results of these simulations quantify the advantages of both techniques and thus allow surgeons to make an informed choice of the best treatment. In addition, a study on the influence of the arthrodesis angle of the distal joint of the index finger on the biomechanics of the hand provided additional evidence on the optimal choice of arthrodesis angle. In conclusion, this work shows that the development of a digital twin of the hand is an important tool for providing quantified data allowing a better understanding of the risk factors of osteoarthritis and the consequences of surgical treatments. In the long term, this type of modelling aims to help surgeons in diagnosis and clinical decision-making based on individualised data for better care of each patient.