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Simulations biomécaniques : l’avenir de l’ingénierie médicale

Publié le 20 juillet 2021 par Patrick RENARD
Source : Figure2
Modélisation distraction ostéogénique (gauche) et ostéotomie sagittale mandibulaire (droite).

Editeur de logiciels de calcul, Transvalor propose des solutions de simulation pour la fabrication d'implants réalisés par forgeage ou par fonderie de précision à la cire perdue. La société française applique aujourd'hui son expertise au domaine des simulations biomécaniques.

La simulation numérique, souvent réservée au calcul de structure ou de mécanique des fluides, est aujourd’hui au cœur des problématiques liées au corps humain. L’ambition est d’exploiter les essais "virtuels" (également appelés in silico) pour réduire la part des essais cliniques réalisés auprès de patients humains ou d’animaux. C’est aussi l’occasion d’explorer des configurations difficiles à évaluer en conditions réelles et d’anticiper l’impact des dispositifs médicaux (DM).

In fine, la simulation permet d’accélérer la mise sur le marché de nouveaux DM ou l’adoption de techniques chirurgicales novatrices. Les autorités de contrôle sont ainsi de plus en plus sensibles à l’usage de techniques modernes d’ingénierie et en particulier à tout ce qui touche à la modélisation numérique par éléments finis.

Evaluer le fonctionnement d'un dispositif médical en service

Les logiciels développés par Transvalor permettent de réaliser des simulations où les concepteurs peuvent vérifier le comportement du DM en conditions normales (ou extrêmes) de fonctionnement.

Simulation du comportement dynamique d’un stent auto-expansible avec le logiciel Forge (source Transvalor).

Ainsi, une étude sur le comportement dynamique d’un stent auto-expansible a été menée avec le logiciel Forge, produit phare de l’entreprise conçu pour simuler les procédés de déformation des métaux. Elle a permis de vérifier les niveaux de contrainte et d’endommagement générés suite à une série de cycles représentatifs de la pression artérielle. Ces calculs sont complexes car ils nécessitent des comportements matériau spécifiques. Le stent étant élaboré à partir de nitinol, un comportement hyper-élastique a été implémenté dans le solveur de calcul pour représenter fidèlement le comportement mécanique du dispositif. Plusieurs géométries ont ainsi été testées afin de vérifier l’efficacité du système de pose et de minimiser les niveaux de contraintes résiduelles.

Applications de la simulation en chirurgie maxillo-faciale

Transvalor développe son expertise avec le soutien de son partenaire de recherche, le laboratoire Cemef de Mines-ParisTech. Plusieurs études utilisant le solveur du logiciel Forge ont ainsi été menées dans le domaine de la chirurgie maxillo-faciale en collaboration avec les équipes du Professeur Yannick Tillier (Cemef) et du Dr Charles Savoldelli (CHU de Nice).

Tout d’abord, la simulation a été utilisée pour étudier la technique de distraction ostéogénique, qui est employée pour corriger les conséquences de dysmorphoses dentaires. Un modèle 3D éléments finis est réalisé en exploitant les données "géométriques" d’un patient âgé d’environ 30 ans. Chaque constituant (crâne, os, cartilage, tissus mous…) fait l’objet d’un comportement mécanique spécifique (isotrope, élastique linéaire, non-linéaire hyper-élastique). La simulation illustre les distributions de contraintes qui varient sensiblement dans les bandes latérales médianes des disques articulaires selon l’ouverture buccale. Cette étude a permis de mieux comprendre l’origine de douleurs pouvant être ressenties au niveau de l’articulation temporo-mandibulaire.

Récemment une nouvelle étude a porté sur l’ostéotomie sagittale mandibulaire afin d’optimiser la technique d’ostéosynthèse. Les simulations ont permis de tester plusieurs configurations de fixations (mini-plaques et vis en titane TA6V) au niveau des ramus mandibulaires. Une configuration optimale a été déterminée, réduisant les contraintes de Von Mises dans les éléments de fixation et dans les os, tout en minimisant les gradients de déplacement entre les segments osseux. Les simulations biomécaniques démontrent ainsi toute leur efficacité pour comprendre l'impact des dispositifs médicaux et optimiser leur design.


www.transvalor.com

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