Biomechanical analysis of bone expansion for reduction and stabilisation of fracture of cortico-cancellous structures: Application to the tibial plateau
Analyse biomécanique de l’expansion osseuse pour la réduction et la stabilisation de fracture de structures cortico-spongieuses : Application au plateau tibial
Résumé
Tibial plateau fractures represent 1% of all bone fractures and 8% in the elderly population. These fractures usually require surgical management because they affect the articular surfaces of the knee and lead to the loss of mobility. In 2012, a new minimally invasive surgical method named Tuberoplasty was created to reduce certain types of tibial plateau fractures by balloon inflation. This surgical procedure, as all minimally invasive procedures, requires thorough pre-operative planning due to the lack of direct visualization of the bone fragments and indirect interaction.
The aim of this thesis was to develop and evaluate numerical methods to assist preoperative planning of tibial plateau fractures management, integrating patient-specific morphological and behavioral data. For this purpose, three numerical approaches have been developed and evaluated, in addition an experimental method has been implemented and evaluated. The first numerical approach, based on statistical shape analysis, predicts the healthy shape of a fractured tibial plateau. The second numerical approach concerns the numerical simulation of tibial plateau fractures reduction with balloon inflation by patient-specific modeling. The third approach refers to the numerical simulation of tibial plateau fractures stabilization to characterize the influence of the type of stabilization and recovery time. Finally, the experimental method implemented and evaluated allows the measurement of volume displacement fields associated with bone fragments during fracture reduction. The numerical models need to be further optimized before they can be fully used for clinical decision making. Nevertheless, the three numerical approaches offer solutions for numerical simulation of the complete surgical procedure to assist in surgical planning.
Les fractures du plateau tibial sont des traumatismes représentant 1 % de toutes les fractures osseuses dans la population générale et 8 % dans la population des personnes âgées. Touchant les surfaces articulaires du genou, ces fractures induisent une perte de mobilité et nécessitent une prise en charge chirurgicale. En 2012, une nouvelle méthode mini-invasive nommée Tubéroplastie a été créée permettant la réduction de certains types de fractures du plateau tibial par le gonflement d’un ballonnet. Ce geste chirurgical, comme tous les gestes mini-invasifs, implique un planning opératoire minutieux du fait de l’absence de visualisation directe des fragments osseux et du fait d’une interaction indirecte avec eux.
Ce travail de thèse avait pour objectif de développer et évaluer des méthodes et des outils numériques pour la planification de la prise en charge chirurgicale des fractures du plateau tibial, en intégrant les données morphologiques et comportementales spécifiques aux patients. Pour cela, trois approches numériques ont été développées et évaluées et une méthode expérimentale a été mise en oeuvre et évaluée. La première approche numérique, basée sur l’analyse statistique de formes, permet de prédire statistiquement la forme saine d’un plateau tibial fracturé. La deuxième approche numérique propose la simulation numérique de la réduction de fracture du plateau tibial avec gonflement de ballonnet par modélisation patient-spécifique. La troisième approche propose la simulation numérique de la stabilisation de fracture du plateau tibial pour caractériser l’influence du type de stabilisation et de la durée de convalescence sur la poursuite de vie du patient. Enfin, la méthode expérimentale mise en oeuvre et évaluée permet la mesure des champs de déplacements volumiques associés aux fragments osseux lors de la réduction de fractures. Les modélisations numériques développées nécessitent d’être optimisées davantage avant d’être pleinement utilisées pour la prise de décisions cliniques néanmoins, les trois approches numériques couplées proposent des solutions de simulation numérique du geste chirurgical complet, pour l’aide à planification chirurgicale.
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