Etudes biomécaniques en conception préliminaire de ... · natural kinematics Transmit natural forces Characterize the displacements and the articular forces Develop and validate

1

Etudes biomécaniquesen conception préliminairede dispositif médical

4 avril 2013 - 2ACBI Bordeaux

michel mesnard

Institut I2M

Ingénierie Mécanique et Conception

Développement de DM

Prothèse d’ATM

Implant dynamique du rachis

Institut de

Mécanique et d’Ingénierie de BordeauxDr. E.Arquis

6 départementsAPY-DUMAS-GCE-IMC-MPI-TREFLE

-

2 Recherche -- -- --Formation

� UMR5295 http://i2m.u-bordeaux.fr/

� Congrès http://www.cfm2013.org/

� [email protected]

� Acoustique Physique (APY)

Evaluation non destructive, imagerie médicale et de structures

� Durabilité des Matériaux, des Assemblages et des Structures (DUMAS)

Comportement et tenue en service des matériaux, assemblages et structures,

sous chargements complexes et conditions agressives

� Génie Civil et Environnemental (GCE)

� Ingénierie Mécanique et Conception (IMC)

Conception de produits mécaniques dans une logique d'ingénierie intégrée, avec analyse et

intégration des phénomènes, caractérisation multiphysique et mise en œuvre de matériaux et structures

� Matériaux, Procédés, Interactions (MPI)

Procédés d'enlèvement de matière, mise en œuvre des matériaux métalliques et composites

et procédés de recyclage

� Fluides et Transferts (TREFLE)

Transferts de chaleur, de masse et de quantité de mouvement

Département

Ingénierie Mécanique et ConceptionResp. JP.Nadeau

Biomécanique articulaire

• Dispositifs médicaux

• Caractérisation - modélisation - simulation

• Spécificités (marquage, implantabilité...)

• Optimisation - conception

• Validation mécanique

1PrAg. HDR - 1/2MCF - 1IE - 1Dr CDD - 2Thésards - 6Masters

Dynamique du mouvement

• Dispositifs biomécaniques en sport

• Caractérisation - modélisation - simulation

• Optimisation équipement et geste (performance, traumatisme...)

Interactions avec l’humain

• Relation perturbation-posture générale

• Adaptation à la contrainte ...

Dispositifs médicaux

articulaires - BiomécaniqueResp. M.Mesnard

Thèses

Orthèses

Talons …

Thèses

Perche

Cyclisme …

[RJB Bazert 2008] [JAB Morlier 2008]

3 Recherche -- -- --Formation

Thèses

ATM

Rachis …

AdossementsRecherche-FormationFormation-IndustrieIndustrie-Recherche

Objectifs et contenusEmploi et viviersCompétences et besoins

Conception-Production

Thèse bourse MENSRBiomécanique in vitroValidation mécaniquePatent INPI + extension en coursCIC-IT Bx et Transfert SATThttp://ast-innovations.com/

Thèse CIFRE U.Bx1-S14 ImplantsDémarche de conceptionOptimisation de solutions technologiques Respect de brevetsCHU de Bx et Unité d’Orthopédie-U.Bx 2http://www.anrt.asso.fr/

Thèse CIFRE U.Bx1-TBR ImplantsDémarche de conceptionStructuration de solutions technologiques Coordination et respect de brevetsUnité d’Odontologie-U.Bx 2

4

Formation

Recherche

Industrie

5 -- -- -- -- --

Design Validation Production

Needs Prototypes Product

Needs

Prototypes

Environment

Functions

Functional and technical

specifications

Experimental

characterization

Concept creation

Technical validation

Design phase

Finite element

modeling

[CIRP Mesnard 2013] [TMJ3 Pittsburgh 2012]

6 -- -- -- -- --

4 elements : 2 bones & 2 implants

3 mechanical joints : 2 fixed connections & the TMJ

Cortical and cancelous bone tissues - Titanium plate

Temporal bone TB

Temporal implant TI

Mandible implant MI

Mandible bone MB

TMJ - Temporomandibular Joint

(Surface-and-ball pair ?)

TFC - Temporal fixed connection

MFC - Mandible fixed connection

Ch

rist

en

sen

-T

MJ

Me

dic

al,

Go

lde

n C

O

From surgeon’s tests …

Study of a biomechanical system using mechanics and mechanical design

FP1 : Produce TMJ

FP2 : Enable implantation

FC3 : Improve patient's general condition

FC4 : Tolerate accidental stresses

Temporal bone

Mandible

1991-1996

7 -- -- -- --

FP1 Réaliser FT11 Autoriser des FT111 Respecter la

l’articulation déplacements relatifs cinématique naturelle

FT12 Assurer la transmis- FT121 Transmettre les

sion d’actions actions usuelles

FT122 Admettre les

pressions de contact

FT13 Maîtriser le FT131 Assurer une

frottement et l’usure “lubrification” propre

FP2 Permettre FT21 Réaliser les encastre- FT211 Réaliser l’encastre-

l’implantation ments os/prothèse ment initial

FT212 Favoriser l’ostéo-

intégration

FT22 S’adapter à la

morphologie

Respect the

natural kinematics

Transmit

natural forces

Characterize

the displacements and the

articular forces

Develop and validate

a protocol to characterizing

the joint

Value analysis

• Conception : Réhabilitation assurant une ouverture de confort

• Displacements of the condyle centre (3D video analysis)

• Validation of the protocol (4 volunteers)

• Intra- and inter-individual variations

• Statistical study - 32 volunteers

• Discrimination Cp

• Rotation and translation : concomittant

• Mouth opening along the articular slope (sector 2) ... 3 groups

• Tr. group Cp = 0.96 & θ = 18.2° - Middle group Cp = 1.5 & θ = 30.8° - Rot. group Cp = 2.3 & θ = 47.2°

• Towards a modular and lateralized prosthesis

• CNRS UMR 5287 Mouvement Adaptation Cognition - U.Bx 2

• Labo. Anatomie Médico-Chirurgicale et Appliquée - U.Bx2

1zGyFxE

DzCyBxAuU 1

++++++== λ

1zGyFxE

LzKyJxHvV 2

++++++== λ

-6

-4

-2

0

2

-2 2 6 10 14 18 22

Zh (mm)

z (mm)

y (mm)

θθθθ

Sector 2 Sector 3

Sector 4

Camper’s plane

z

y

Discrimination

Cp = Rot [(C, x)] / Trans [(C, z)]

Y

Z

Verrous

Coopé.

[CMBBE Mesnard 2012] [AOB Coutant 2008]

Thèse

8 Value analysis -- -- --Characterization

[TMS Mesnard 2012] [Biodental Porto 2009]

• Conception : Dimensionnement implant et liaison implant/tissu osseux

• Evaluation of the muscular forces (EMG & MRI)

• Validation of the protocol

• Calculation of the articular forces

• Intra- and inter-individual variations

• Invasive protocol (in vivo)

• Statistical study (3 volunteers!)

• Comparison apertures 5/15mm...

• For 15mm and 1 N on the sensor - Z < 7 N and 13 N < Y < 70 N

• Miniaturized sensor (6 components & vidéo 3D - Sté SENSIX, Poitiers Fr.)

• International PICS CNRS 4280 - Labo. Theoretical Mechanics - U.Perm Ru.

• CHU de Bx et Unité d’Odontologie - U.Bx 2

C

y

z

x

36

34

31

F muscle = (F muscle max / EMGr max) * EMGr

F muscle max = S max * Km

9 -- -- --Value analysis

Verrous

Coopé.

Characterization

Validation

Control data.

[EM Ramos 2011] ] [JOMS Mesnard 2011]

y

x

• 3D laser scanning (Roland LXP) - CAD software (CATIA Dassault Systems)

• FEM software (HyperWorks, Altair Eng.) - 255 000 elts - 4 nodes

• FEA software (MSc MARC Solver)

• Cortical bone [Motoyoshi 2009]

• Young’s modulus 13700MPa & Poisson’s ratio 0.3

• Boundary conditions - Central incisor - Condyle centres

• Experimental validation of the FEM to design the implant and the implant-bone connection...

• Implant geometries - Stiffness

• Surface of contact between the implant and the mandible

• Loading point on the condyle - Distribution of the screws

• Intra- and inter-individual variations of the mandible bone behavior

• International Pessoa MAE 14630YA - Labo. Technologia Mecanica e Automaçao - U.Aveiro Pt.

35-70

10 Characterization -- --Value analysis

Verrous

Coopé.

Modeling

Displacement

along y-axis (mm).

y

Displacement

along x-axis (mm).

y

x

• Implant and screw material

• Isotropic titanium alloy (10 000 elts env. - 8 nodes)

• Young’s modulus 110GPa & Poisson’s ratio 0.3

• Input data - Muscular loads [Mesnard 2005]

• Glued bone-screw contacts

• Friction in bone-implant contact, f = 0.3

• Friction in screw-implant contacts, f = 0.1

• Influence of the implant stiffness

• Variation of the intercondylar segment 1.6 to 1.9mm

• Displacement along y-axis + 150%

• A.Ramos - Pr. Invité I2M/Bx1 - 2011

[JCMS Ramos 2011]

natural

with implant 1

with implant 2

x

z

I.2

I.1

11 -- --Value analysis

Verrous

Coopé.

Characterization Modeling

y

x

z








• Contact between the plate and the mandible

• 3 implants - Straight 1 - Semi-anatomic 2 - Anatomic 3

• Towards an anatomical surface of contact

y

x

I.1I.3I.4

[SB Toulouse 2012]

I.4

I.3

I.1

I.1

I.3

I.4Displacement

along y-axis (mm).

Minimum

prin. strain (µε).

12 -- --Value analysis Characterization

Verrous

Modeling








• 3 points of contact (load) on the condyle

• Inside I - Centered C - Outside O

• Towards a spherical condyle

• A.Ramos - Pr. Invité I2M/Bx1 - 2012

[JCMS Mesnard 2013] [SB Le Mans 2010]

I

II

III

IV

y

x

z

I

II

III

IV

O

O

O

Minimum


Minimum



Verrous

Coopé.

Modeling

• 3D laser scanning (Roland LXP)• CAD software (CATIA Dassault Systems)

• FEM software (HyperWorks, Altair Eng.)

• FEA software (MSc MARC Solver)

• Cortical bone - Poisson’s ratio 0.3

• Cancelous bone - 4 models A to D - Poisson’s ratio 0.3

• Intra - Interindividual variations of the bone behavior

• Variation of the condylar segment + 10% from A to B

• Max principal strain + 16% from A to B

• S.Schlaubitz - CIC-IT de Bx

[ISB Bialystok 2012]

35-70

Model

Cortical

A 13700

B 13700

C 13700

D 13700

13700

3965

400

Young's Modulus (MPa)

Cancelous

7930

y

x

Displacement

along x-axis (mm).

Maximum



Verrous

Coopé.

Modeling

Equivalent stress

Christensen model - TMJ Medical, Golden CO


Temporal bone TB

Temporal implant TI

Mandible implant MI

Mandible bone MB

TMJ - Temporomandibular Joint

(Surface-and-ball pair ?)

TFC - Temporal fixed connection

MFC - Mandible fixed connection

Minimum

principal strain

Modeling

To design an innovating TMJ Prosthesis, a mandible implant and the implant-bone connection ...

• Implant stiffness and distribution of the screws

• Surface of contact between the implant and the mandible

• Loading point on the condyle

• Intra and interindividual variations of the bone behavior

Reduce the effect of the torque

Reduce the effect of the displacement of the loading point

• Spherical condyle

Limit the actions on the screws

Limit the stresses in the bone tissue

• Two fixed connections : assemblage hybride

Approach the anatomical surface

Realize the initial connection

Reduce the duration of the work of the surgeon

Provide an immediate ability

• Adjustable lateral plate

• Transfert SATT - Aquitaine Science Transfert - Pessac Fr.

• Industrielle Rescoll Manufacturing - Le Barp Fr.[INPI Mesnard-Ramos 2012] [Biodental2 Porto 2012]

16 Modeling Transfert --Value analysis Characterization

Coopé.

• Conception : Respect du brevet et sollicitations (induites) des joints adjacents

• Caractérisation in vitro liaison naturelle [Mosnier 2008] [Guérin 2009]• Mobilités relatives - Actions articulaires• Lois de comportement du matériau viscoélastique [coopé.indus.Rescoll SAS]• Validation du MEF

• CIFRE : Implant et liaison intervertébrale équipée• Démarche de conception• Optimisation de solutions technologiques • Choix de matériau implantable type PU moulé

• Industrielle S14 Implants - Pessac Fr.• CHU de Bx et Unité d’Orthopédie - U.Bx

[EM Monède soumis 2013] [SB Toulouse 2012]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Ch

arg

e (

N)

Déplacement (mm)

B-DYN traction axiale

Anneau silicone

Anneau PU

Anneau silicone

Anneau PU

Déplacement (mm)

17 --Value analysis

Verrous

Coopé.

Thèse

Characterization Modeling Transfert

18

I thank you for your attention

[email protected]

• Biomatériaux et Dispositifs Médicaux (BiDiM)

Evalué A+par AERES (2010)

• Etudiants titulaires de Licence Mécanique-Physique et Biologie-Chimie

Création d’un master commun avec l’Université Laval à Québec (2013 ?)

1 UE par e-learning prenant appui sur les 8 CIC-IT (2010)

1 UE mutualisée avec U.Paris13 (2008)

Stage de 6 mois en fin de cursus �� Insertion quasi-immédiate 2/3

2007-2009 7 étudiants sortants

2019-2011 13 étudiants

2011-2013 14 étudiants

• Laboratoires

• Entreprises

BBraun Médical, BIOMET France, Stryker Spine,

Rescoll, S14 Implants (CIFRE), AXS Medical (Projet ANR),

Implanet, Protéor, Zimmer, Satelec, Lagarrigue SAS (Projet ANR-CIFRE),

Creaspine, Image Guided Therapy, TBR Implants (CIFRE) ...

2007

2011

2013

2009

Co-habilitation BiDiM - CNRS 5295-U.Bx1 M.Mesnard Dr-HDR & INSERM U1026-U.Bx2 L.Bordenave PU-PH

19 -- -- -- --Formation

CIC-IT

Documents

Etudes biomécaniques en conception préliminaire de ... · natural kinematics Transmit natural forces Characterize the displacements and the articular forces Develop and validate