La scoliose est une déformation tridimensionnelle évolutive de la colonne vertébrale et de la cage thoracique. Pour les déformations modérées, le principal traitement utilisé est le traitement par orthèse (corset). Son objectif est de stopper la progression des déformations scoliotiques en appliquant des forces sur le tronc humain. Les différents corsets existant reposent sur des principes de correction relativement similaires mais présentent cependant des différences notables au niveau de leur conception. Leur biomécanique reste mal comprise et leur effet tridimensionnel discutable. Pour étudier ces problèmes, quelques modèles numériques ont été utilisés. Ils simulent généralement le traitement par corset en appliquant des forces calculées expérimentalement sur un modèle éléments finis du tronc humain. Une évolution récente consiste à modéliser directement le corset et son interface avec le tronc humain pour simuler le traitement par orthèse. Cette méthodologie est plus réaliste que l'application directe de forces sur le tronc humain mais doit encore être perfectionnée.

L'objectif de ce projet a donc été de développer un modèle paramétrique détaillé de corset et une simulation de son effet immédiat permettant d'étudier l'influence des paramètres de conception susceptibles d'être optimisés.

partir d'un modèle éléments finis personnalisé du tronc humain comprenant le rachis, la cage thoracique, le bassin et l'abdomen, un modèle paramétrique personnalisé d'un corset a été créé. La géométrie de ce corset numérique est basée sur 8 courbes génératrices définies chacune par 10 paramètres morphométriques. La coque rigide du corset, les coussinets, les ouvertures, les courroies et l'interface avec le tronc humain sont ensuite modélisés par éléments finis. La simulation de son effet immédiat est effectuée en modélisant les étapes d'installation du corset sur le patient et le serrage des courroies.

La distance maximale entre la surface interne du modèle du corset et la surface externe du modèle du tronc a été calculée et minimisée. Cette distance permet d'estimer la précision de la modélisation géométrique.

Les effets du coefficient de friction et des paramètres de la simulation non-linéaire ont été évalués grâce à un plan d'expériences. Une étude de convergence a ensuite permis de régler ces paramètres pour obtenir un compromis entre la précision numérique des simulations et le temps de calcul. L'influence des conditions limites sur le tronc humain et le corset a été étudiée.

Un corset a été modélisé en suivant les principes de conception du corset de Boston. Un seul patient a été utilisé (courbure d'apex T9 et d'angle de Cobb 40°, déjettement de 23.4 mm, cyphose thoracique de 18°, gibbosité maximale de 15° et rotation axiale maximale de 16°). Un plan d'expériences a permis de calculer les effets de la taille, de la rigidité de la coque rigide, de la rigidité des coussinets, du coefficient de friction et de la tension de courroies sur la correction immédiate des déformations scoliotiques et sur les forces générées par le corset.

Après optimisation, la distance maximale entre la surface interne du modèle du corset et la surface externe du modèle du tronc est de 11 mm. Les effets des paramètres de simulation sont faibles devant les effets des paramètres de conception. Lorsque le plateau de convergence est atteint, le temps de calcul est de 28 minutes CPU.

Pour le modèle inspiré du corset de Boston, il est apparu que l'effet de la rigidité des coussinets était faible devant les autres effets. Le paramètre ayant le plus d'influence sur les forces exercées par le corset est la tension de courroies. Globalement, les forces augmentent quand la tension de courroie augmente, ce qui est en accord avec les données expérimentales. Au niveau géométrique, les différents corsets testés produisent des déformations qualitativement identiques:​ ils réduisent la cyphose thoracique (-11° au maximum), améliorent l'équilibre global du rachis dans le plan frontal (correction du déjettement de 25 mm au maximum) mais corrigent peu les courbures (-9° au maximum). Ils réduisent faiblement la rotation axiale et la gibbosité (-6° et -4° au maximum). Les évolutions de ces fonctions objectives en fonction des paramètres de conception du corset sont toutefois contradictoires. Le problème d'optimisation est multi-critères.

Le modèle développé est détaillé, paramétrique et automatisé. La géométrie du corset pourra être améliorée en raffinant le modèle du tronc. Une étude avancée de l'influence des paramètres de simulation a montré que le modèle permet de comparer efficacement des corsets de conception différente. Le temps de calcul est raisonnable mais reste relativement élevé dans le cadre d'un processus d'optimisation. Quelques améliorations devront encore être apportées pour améliorer la fréquence de convergence et le réalisme de la simulation. L'étude préliminaire d'optimisation a démontré les possibilités offertes par le modèle dans ce domaine. Une étude davantage détaillée et exhaustive, multi- critère et adaptée à des temps de calcul élevés, doit encore être effectuée.

Le modèle développé dans ce projet est innovateur. Il constitue une avancée en terme de réalisme des simulations numériques du traitement par corset. La modélisation devra cependant encore être raffinée. Des études de validation expérimentale devront être menées. Ce modèle permettra alors une étude avancée de la biomécanique des corsets et une rationalisation de leur conception.

Scoliosis is a three-dimensional and progressive deformity of the spine and the rib cage. Patients with moderate deformities are generally treated with orthoses (braces). These braces are aimed at stopping the progression of scoliotic deformities by applying forces on the human torso.

The different existing braces are based on relatively similar correction principles but their design can be quite different. Their biomechanics remain poorly understood and their three-dimensional effect is still questioned. To study these problems a few numerical models have been used. They generally simulate brace treatment by applying experimentally calculated forces on a finite element model of the human torso. Recently a new method which consists in directly modeling the brace and its interface with the human torso to simulate brace treatment has been proposed. This method is more realistic than the direct application of forces on the human torso but still has to be improved.

Subsequently, the objective of this project is to develop a detailed parametric model of a brace and a realistic simulation of its immediate effects, which will allow studying the design parameters.

Based on a finite element model of the human torso including the spine, the rib cage, the abdomen and the pelvis, a parametric and personalized model of a brace was created. The geometry of the brace is based on 8 generative curves defined by 10 morphometric parameters. The rigid shell of the brace, the openings, the pads, the straps and the interface with the human torso are then modeled with the finite element method. The placement of the brace on the patient and the tightening of the straps are then simulated to compute the immediate effect on the patient.

The maximum distance between the internal surface of the brace model and the external surface of the trunk model was calculated to estimate the precision of the geometric modelization.

The influence of the friction coefficient and non-linear simulation parameters was evaluated thanks to a design of experiments. A compromise between numerical precision and calculation time was then found through a convergence study. The influence of boundary conditions was studied.

A brace following Boston brace design principles was modeled for one patient (Cobb angle of 40° with the apex at T9, thoracic kyphosis of 18°, maximal rib hump of 15° and maximal axial rotation of 16°). Thanks to a design of experiments, the effects of brace size, shell and pads stiffness, friction coefficient and straps tension were calculated. Maximal distance between the internal surface of the brace model and the external surface of the trunk model was 11 mm. The effects of simulation parameters are weak compared to the effects of the design parameters. Once convergence plateau is reached computational time is 28 minutes CPU.

Concerning the model inspired by the Boston brace system, it was demonstrated that pad rigidity effect is weak compared to the effects of the other parameters. The most influent parameter on torso-brace interface forces is the strap tension. Globally, forces increase when straps tension increases, which is in agreement with experimental data. Geometrically, the tested braces generate qualitatively equivalent deformations. They decrease thoracic kyphosis (maximum of -11°), improve frontal plane spine balance (maximal correction of decompensation is -25 mm) but provide only little correction of frontal plane scoliotic curvatures (maximum of -9°). They poorly correct axial rotation and rib hump (maxima of -6° and -4°). Nevertheless, evolutions of these objective functions according to brace design parameters are contradictory. Optimisation problem is multicriteria.

The model developed in this study is quite detailed, parametric and automatic. Brace geometry could be improved by first refining trunk model geometry. The advanced study of simulation parameters influence shows that the model enables to compare different brace designs. Computational time is not prohibitive but remains relatively high for an optimization process. Simulation realism and convergence frequency are good but can still be improved. Optimization preliminary study showed the potential of the model. A more detailed and exhaustive multicriteria study, adapted to high computational time, remains to be done.

The developed model is original. The realism of brace treatment numerical simulations has been improved. Though, model needs to be further developed. When completely validated with appropriate experimental studies, such model could lead to advanced studies on brace biomechanics and could allow rationalizing their design.