Experimental and numerical approach for the biomechanical modeling of the sacral soft tissues in the context of pressure ulcer prevention
Approche expérimentale et numérique pour la modélisation biomécanique des tissus mous du sacrum dans un contexte de prévention des escarres
Résumé
A Pressure Ulcer (PU) is defined, according to National and European Pressure Ulcer Advisory Panels (NPUAP and EPUAP) as: “a localized injury to the skin and/or underlying tissue usually over a bony prominence, as a result of pressure, or pressure in combination with shear.” According to epidemiology studies, a PU is a complication primarily related to the care and treatment of individuals who have difficulty moving or changing positions: based on the study conducted in hospitals from five European countries, a PU prevalence of 18% was observed (Vanderwee et al. 2007).In the worst case, untreated PU or its complications could lead to death; from 1999 to 2016 in Spain, PU was listed as a cause of death for 11238 people over 65 years old (Verdú-Soriano et al. 2021). PUs also have an important impact on the psychological state of the person affected (Upton and South 2011). They can potentially lead to social isolation and worsening of the existing medical condition.The clinical management of PUs also represents a financial burden for society. A study by Dealey et al. estimated that the cost of PU treatment in United Kingdom could be as high as £ 14108 for a grade 4 PUs (Dealey et al. 2012). Meanwhile, the latest research by Downie et al. (Downie et al. 2013) based on a 12 months-long study in five UK hospitals suggests that 43% of the grades 3 and 4 PUs could be preventable.Current research oriented on the development of PU prevention strategies includes the development of new risk assessment protocols, sensors, research on pressure injury biomarkers, and mechanical parameters that could help in the decision-making process. It has been shown, in a rat model, that there exists a correlation between compression-induced tissue damage and mechanical strain (Ceelen et al. 2008). Based on this evidence, several numerical models, mostly based on Finite Element Analysis, have been proposed in the literature to estimate tissue deformations resulting from the mechanical interaction of the body with external devices. Moreover, according to figures reported in a National Prevalence Study in French Hospital patients, sacral 29% and heel 53% regions have been reported to be the two most common anatomical sites for PU development (Barrois et al. 2008). The sacrum was therefore chosen in this study as the investigation location.As shown in several studies, the mechanical response is very sensitive to the input data (geometry (Moerman et al. 2017), material properties (Luboz et al. 2014), and boundary conditions). Building patient-specific mechanical models for the prediction of strain localization is a long and tedious task but seems necessary to accurately evaluate the risk factors. It is clear that to bring the research findings to the clinical environment, an accessible minimally time-consuming technique should be employed. 3D MRI is often considered a benchmark technique for collecting the geometrical data of Finite Element (FE) models, but it remains a costly and not easily accessible exam. On the other hand, 2D B-mode Ultrasound (US) was investigated as a promising image modality in relation to PU (Akins et al. 2016; Swaine et al. 2018). The main objective of this PhD project is to evaluate the possible biases introduced by using 2D US-derived FE models in place of 3D MRI-derived FE models for the analysis of strain intensities and localizations in relation to personalized sacral PU risk assessment.The PhD project is part of the H2020 European Training Network “Skin Tissue INTegrity under Shear” (H2020-MSCA-ITN-2018 STINTS). The aim of the STINTS project is to get a better understanding of complex biomechanical and biochemical factors responsible for skin damage in reaction to prolonged pressure, shear forces, and friction. My PhD project focuses on the development of subject-specific FE models of buttock soft tissues to evaluate the intensities and localizations of strains when the body interacts with supporting surfaces.
Une escarre est définie, selon les sociétés savantes européenne et américaine (NPUAP et EPUAP) de prévention des plaies de pressions, comme : une lésion localisée dans la peau et/ou les tissus sous-jacents, généralement sous une proéminence osseuse, suite l’application d’une pression combinée ou non avec une cisaillement.L'escarre non traitée ou ses complications peuvent dans des cas extrêmes entraîner la mort. Par exemple en Espagne, de 1999 à 2016, l'escarre a été répertoriée comme cause de décès de 11238 personnes de plus de 65 ans (Verdú-Soriano et al. 2021). Les escarres ont également un impact important sur l'état psychologique de la personne atteinte (Upton et South 2011).La prise en charge clinique des escarres représente également des coûts financiers importants pour la société. Une étude a estimé que le coût du traitement des escarres au Royaume-Uni pourrait atteindre 14108 £ pour chaque escarre de grade 4 (Dealey et al. 2012). Tandis que les dernières recherches (Downie et al. 2013) sur la base d'une étude clinique de 12 mois dans cinq hôpitaux britanniques suggèrent que 43 % des escarres de grades 3 et 4 pourraient être évitées.Les recherches actuelles axées sur le développement de stratégies de prévention des escarres comprennent le développement de nouveaux protocoles d'évaluation des risques ainsi que des recherches sur les biomarqueurs des lésions de pression et les paramètres mécaniques qui pourraient aider à la prise de décision. Il a été démontré, sur des données issues d’un modèle de rat, qu'il existe une corrélation entre les lésions tissulaires induites par la compression et les déformations mécaniques de ces tissus (Ceelen et al. 2008). Plusieurs modèles numériques, principalement basés sur l'analyse par éléments finis (EF), ont alors été proposés dans la littérature pour estimer les déformations tissulaires résultant de l'interaction mécanique du corps humain avec des dispositifs externes.Par ailleurs, selon les chiffres rapportés dans une étude nationale de prévalence sur des patients hospitalisés en France, les régions du sacrum (29 %) et du talon (53 %) ont été signalées comme les deux sites anatomiques les plus courants pour le développement d’escarres (Barrois et al. 2008). Ce travail de thèse a choisi de focaliser sur le sacrum comme objet d’étude.Comme le montrent plusieurs travaux de recherche, la réponse mécanique d’un modèle EF est très sensible aux données d'entrée (géométrie (Moerman et al. 2017), lois de comportements des matériaux (Luboz et al. 2014) et conditions aux limites). Construire des modèles mécaniques patients-spécifiques est une tâche fastidieuse mais sans doute incontournable pour évaluer avec précision les facteurs de risque. Il est cependant clair que les contraintes de l'environnement clinique nécessitent une méthodologie requérant un minimum de temps pour générer de tels modèles. L'IRM 3D est souvent considérée comme une technique de référence pour collecter les données géométriques mais reste un examen coûteux et difficilement accessible.Comme solution alternative, l'échographie US 2D en mode B a été mentionnée car prometteuse pour étudier les risques de plaies de pressions (Akins et al. 2016). L'objectif principal de ce travail de thèse est d'évaluer les éventuels biais introduits par l'utilisation de modèles EF 2D construits à partir de données US en lieu et place de modèles EF 3D basés sur l’IRM. Pour cette comparaison, nous focaliserons sur l'analyse des intensités et des localisations des déformations internes des tissus mous puisque ces déformations mécaniques sont supposées êtres des marqueurs du risque d’escarre sacrée.Ce doctorat a été financé par le projet H2020 ETN “Skin Tissue INTegrity under Shear” (H2020-MSCA-ITN-2018 STINTS). L'objectif de ce projet STINTS est de mieux comprendre les facteurs biomécaniques et biochimiques complexes responsables des dommages cutanés en réaction à des frottements, des pressions prolongées et des forces de cisaillement.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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