Ecole Doctorale

Sciences du Mouvement Humain

Spécialité

Sciences du Mouvement Humain - MRS

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Paroi abdominale,Biomécanique,IRM dynamique,Pression intra-abdominale,Morphométrie,

Keywords

Abdominal wall,Biomechanics,Dynamic MRI,Intra-abdominal pressure,Morphometry,

Titre de thèse

Explorations combinées biomécaniques et physiologiques de la paroi abdominale in vivo
Combined biomechanical and physiological explorations of the abdominal wall in vivo

Date

Mercredi 8 Décembre 2021 à 14:00

Adresse

Faculté de Médecine 27 Boulevard Jean Moulin 13385 Marseille Cedex 05 Amphithéâtre CERIMED

Jury

Directeur de these Mme Catherine MASSON Université Gustave Eiffel
Rapporteur M. Stéphane AVRIL Institut Mines Telecom, Mines Saint‐Etienne
Rapporteur M. Pablo ORTEGA DEBALLON Service de Chirurgie Générale, Digestive, Cancérologique et Urgences - CHU de Dijon
Examinateur Mme Aline BEL-BRUNON Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (LaMCoS) - INSA Lyon
Examinateur M. Thierry BEGE Chirurgie viscérale et digestive, Hôpital Nord - AP-HM
Examinateur M. David BENDAHAN Centre de Résonance Magnétique Biologique et Médicale - CNRS
Examinateur Mme Gaëlle LISSORGUES ESIEE Paris - Université Gustave Eiffel

Résumé de la thèse

La paroi abdominale est une structure anatomique complexe qui délimite la cavité abdominale. Elle protège les organes abdominaux et joue un rôle central dans la régulation de la pression intra-abdominale (PIA) dans de nombreuses situations quotidiennes (respiration, toux, miction, effort). Les pathologies les plus courantes de la paroi sont les hernies abdominales. Une hernie est le passage d’une partie du contenu de la cavité abdominale à travers un défaut ou une déchirure de la paroi musculo-aponévrotique. La réparation des hernies est un des actes les plus fréquents en chirurgie viscérale cependant il n’existe pas de consensus sur l’approche chirurgicale idéale et les taux d’échecs sont importants, pouvant aller jusqu’à 18% à un an et 28% à deux ans. Du diagnostic au suivi post-opératoire, le clinicien ne dispose d’aucun outil avancé d’imagerie ou d’évaluation biomécanique des tissus du patient pour le guider dans son choix d’approche chirurgicale. L’objectif principal de la thèse était de développer des outils permettant cette évaluation et de caractériser in vivo le comportement mécanique de la paroi abdominale en conditions physiologiques. Cette caractérisation s’appuie sur l’imagerie médicale, des mesures intra-abdominales et le développement d’un dispositif spécifique. Le premier objectif de la thèse visait à quantifier la morphométrie de la paroi musculaire abdominale et à analyser sa variabilité. Pour cela une étude rétrospective a été réalisée sur 120 tomodensitométries abdomino-pelviennes d’individus âgés de 18 à 86 ans. Les volumes, les formes, la symétrie des différents groupes musculaires de la sangle abdominale ont été précisément décrits ainsi que l’influence de l’âge, du sexe et de l’indice de masse corporelle sur des paramètres géométriques des muscles et aponévroses. Dans la seconde partie de l’étude, une étude clinique sur sujets sains couplant la mesure des déformations de la paroi et l’évaluation de la PIA a été réalisée. Pour la première fois, l’IRM dynamique a été utilisée afin de quantifier les déformations spatiales et temporelles des muscles abdominaux. Une méthode originale semi-automatique de post-traitement d’images a été développée et validée sur 10 sujets. La méthode a été ensuite appliquée à une cohorte plus large (n=20) pour cartographier les déformations dynamiques de la paroi durant des exercices actifs (avec contraction musculaire) et passifs. En parallèle une évaluation de la PIA, principale sollicitation appliquée à la paroi abdominale, a été réalisée sur la même cohorte. Cette évaluation a été réalisée avec une technologie à gène et à risque limité (capsule ingérable SmartPill©) qui a permis de mesurer les variations de PIA lors des mêmes exercices et durant la vie quotidienne. Les données de déformation et de PIA ont ensuite été combinées pour évaluer les propriétés mécaniques de la paroi abdominale. Le dernier objectif portait sur le développement d’un dispositif permettant d’évaluer les déformations de la paroi et les variations de PIA, grâce à des mesures externes réalisées à la surface de l’abdomen. Ce dispositif d’aide au diagnostic a fait l’objet d’un dépôt de brevet et des premiers essais de validation du dispositif sur modèle porcin ont été menés. Ce projet doctoral a mis en évidence le besoin de personnaliser la prise en charge des pathologies de la paroi abdominale en fonction de l’anatomie et du comportement biomécanique. Les méthodes avancées de traitement d’images qui ont été développées, encouragent l’utilisation de l’IRM pour le diagnostic et le suivi post-opératoire. Les connaissances acquises sur les déformations, les sollicitations et les propriétés mécaniques de la paroi abdominale en condition physiologique permettront de guider la conception et l’évaluation des implants pariétaux pour s’assurer de leur bio-fidélité. Ces données permettront également de développer et de valider des modèles numériques de paroi abdominale.

Thesis resume

Abdominal wall is a complex anatomical structure which encompasses the abdominal cavity and protects the abdominal organs. It plays a central role in the regulation of intra-abdominal pressure (IAP) in many daily-life situations such as breathing, coughing, urination, exertion... Abdominal hernias are the most common pathological changes occurring in abdominal wall. In case of hernia, part of the contents of the abdominal cavity can protrude through a defect or tear in the musculoaponeurotic wall. Although hernia repair is one of the most frequent visceral surgery procedures, a consensus regarding the optimal surgical approach is lacking and failure rates are still high i.e. up to 18% at one year and 28% at two years. From both the diagnostic and post-operative follow-up vantages, clinicians are still missing advanced imaging or biomechanical biomarkers which could be used as guidance for the type of surgical approach. The main objective of the thesis was then to characterize in vivo the mechanical behavior of the human abdominal wall under physiological conditions. This characterization was based on medical imaging, intra-abdominal measurements and the development of a specific device. The first objective of the thesis was to quantify the morphometry of the abdominal muscle wall and to assess the corresponding variability. A retrospective study was carried out in 120 abdomino-pelvic CT scans of subjects aged 18 to 86 years. Volumes, shape and symmetry of the different muscle groups were accurately quantified together with the influence of age, sex and body mass index on the geometric parameters of the muscles and aponeuroses. In the second part of the thesis, a clinical study was carried out in healthy subjects and wall deformations and IAP measurements were performed. Dynamic MRI was genuinely used in order to quantify the spatial and temporal strains of abdominal muscles. An original semi-automatic image post-processing method was developed and validated in 10 subjects and used to assess a larger cohort (n = 20) and to map dynamic wall strain during active (with muscle contraction) and passive exercises. Concomitantly, IAP, the main stress applied to the abdominal wall, was quantified in the same cohort. This evaluation was performed with a non-invasive technology (SmartPill© ingestible capsule) which allowed to measure IAP changes during the same exercises and during daily life. Strain and IAP data were then combined in order to assess the mechanical properties of abdominal wall. The final objective was the development of a device intended to assess wall strain and IAP changes using external measurements conducted on the abdomen surface. This diagnostic device has been patented and the first validation tests have been conducted in a porcine model. The results of this doctoral project provide quantitative tools which could be useful to personalize the management of abdominal wall pathologies based on anatomy and biomechanical behavior. The advanced image processing methods that have been developed open an encouraging venue for using dynamic MRI for diagnostic and postoperative follow-up applications. The corresponding results regarding strain, stress and mechanical properties of abdominal wall under physiological conditions provide a useful framework which should be helpful for designing and assessing parietal implants and ensuring their bio-fidelity. In addition, these results should allow the development and validation of numerical models of abdominal wall.