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Hdr Année : 2022

Biomechanics of soft tissue injuries resulting from mechanical interaction with external medical devices

Biomécanique des lésions des tissus mous biologiques résultant de l'interaction mécanique avec des dispositifs médicaux externes

Résumé

With a continuous increasing craze towards technologies that can repair or enhance the human body, the question of the adaptation of mechanical device interfaces to human limbs is a challenge that now has become crucial. One of the most important bottlenecks is to simultaneously ensure optimal biomechani- cal function/performance and, at the same time, fulfill comfort and safety constraints. Exoskeletons and assistive robots are iconic examples of these mechanical devices. Yet, the underlying challenge extends to all the situations where a person is in contact with a mechanical system that share a mechanical interface with the human body. This include, for example, immobilized persons supported on a bed or in a wheelchair, amputees wearing a prosthesis, and individuals with orthoses or functional medical devices attached to the skin. This can result in soft tissue damage, particularly in at-risk persons such as the elderly and those with comorbidities such as diabetes. The research work that I have carried out so far has focused on modelling and simulating the transmission of mechanical loads in biological soft tissue during the mechanical interaction with external devices from a structural mechanics perspective (Part 1). The clinical and industrial motivations were 1/ the evaluation of the risk of chronic wounds and skin breakdown as we interact with the environment around us (more specifically the risk of superficial tissue injury resulting from sub-optimally fitted orthosis/prosthesis [sections2.4,3.3] and the risk of deep tissue injury when lying or sitting on support surfaces [Sections2.5,2.6,2.7,2.9,3.1,3.2])2/ to assist in the management of soft tissue injuries (varicose veins [Section2.2]) and 3/ to assist in surgery planning (not included in the manuscript). Challenges still exist today because there is a subject specific tolerance to mechanical loading (Traa 19). Investigations conducted by the group of Cees Oomens at Eindhoven University of Technology at different length and time scales (from the single cell scale (Bouten 99;Bouten 03b;Peeters 03) to the tissue scale (Bosboom 01;Bosboom 03;Stekelenburg 06b;Stekelenburg 06a;Stekelenburg 07;Ceelen 08; van Nierop 10;Loerakker 10;Loerakker 11;Nelissen 18;Traa 19)) have shown thatsoft tissue injury is, fundamentally, a multi-scale and multi-physics process (Oomens 14). Cell deformation trig- gers a variety of effects, such as volume changes and cytoskeletal reorganization, which may be involved in early tissue breakdown. Furthermore, and more importantly, wound initiation depends, in large part, on how cells sense and respond to chemo-mechanical stimuli (Gefen 16;Turner 14), It has been shown that signaling cascades coordinate how cells change their local Extra-Cellular Matrix to maintain home- ostasis and any disruption triggers inflammatory disorders. This is consistent with clinical results showing that many factors other than the magnitude of loading affect an individual load tolerance, such as their age, level of mobility, nutritional status, and degree of tissue perfusion (Coleman 13). To be clinically relevant, computational models should therefore be designed to predict the transmission of loads throughout the different length and time scales and be able to capture the main interactions between mechanical response and biological response and explicitly incorporate chemo-bio- mechanical couplings. In order to progress in the clinical relevance of Digital Twins in the context of soft tissue injury prevention, the focused research project is formulated in three main areas for the coming years (Part 2). First, the mechanical characterization of the time-dependent mechanical behavior up to damage of soft tissues under prolonged loading is an important challenge because it has been established that it is the progressive tissue damage that determines pressure ulcer development, not the instantaneous local deformation itself. In the literature, attempts to characterize the time-dependence of soft tis- sues generally assume a viscoelastic formulation and typically ignore the porous nature of the medium ((Van Loocke 09;Simms 12;Wheatley 15)). Yet, soft tissues can be assimilated to a hierarchical reac- tive bi-compartment porous medium: the extracellular matrix constitutes the solid scaffold; blood is in the vascular porosity whereas the extra-vascular porous compartment is saturated by two cell phases and interstitial fluid (mixture of water and nutrient species). The first objective of the focused research project (chapter5 ) will be to link the damage process during prolonged loading with ischemi- a/reperfusion and mechanical deformation in 1/ an animal model, 2/ in human skin substitutes and, 3/ in clinical routine, in at risk persons. Second, from a more fundamental perspective, the pathogenesis of Pressure Ulcer involves the activa- tion of the acute inflammatory response, a cascade of events mediated by a set of specialized cells (e.g. platelets, mast cells, macrophages, and neutrophils) and molecules (inflammatory cytokines, free radicals, and Damage-Associated Molecular Pattern molecules) in stressed or damaged tissue (Houwing 00;Peirce 01;Ziraldo 15). The inflammatory response can either heal the tissue, or be- come self-maintaining inflammation that causes tissue damage (Ziraldo 15). The second objective of the focused research project (detailled in chapter6 ) will be to investigate the primary determinant of soft tissue damage (detailled in chapter6 ). More specifically, the aim will be to study the cascade of events linking mechanical response, ischemia, and inflammation, and wound healing in biological soft tissues in an animal model and, in a routine clinical setting, in a population at risk (individuals). This work will provide a better understanding of the inflammatory dynamics in people who develop a pressure ulcer. This work will also allow the study of potential treatments in silico. Third, the feasibility studies of the deployment of such devices in clinical and industrial settings and pre-clinical studies and clinical evaluation of the efficacy of the biomedical approach is the long-term goal. The third objective (detailed in the text of the chapter "Clinical Project") is therefore to propose a methodology to make the use of such multi-scale and multiphysical models compatible with clinical routine so that feasibility studies can be initiated.
La prévention des lésions superficielles et profondes dans les tissus mous biologiques lors de l’interaction physique entre une personne et un dispositif médical mécanique est un enjeu majeur. Les défis existent encore aujourd’hui car il est essentiel que les chargements mécaniques transmis aux tissus mous superficiels et profonds soient maintenus dans des plages d’intensité qui garantissent la viabilité tissulaire. Les personnes à mobilité réduite sont particulièrement exposées. Pour ces personnes, les dispositifs d’assistance tels que les les prothèses et les Fauteuils Roulant Manuels permettent de mener une vie saine, productive, indépendante et digne. La modélisation biomécanique a été identifiée comme un outil potentiel pour aider les cliniciens dans les processus actuels d’évaluation des risques et, également, les industriels dans leur processus de conception. Depuis mon entrée dans le monde de la recherche académique, j’ai eu l’occasion de mettre en application la méthode des éléments finis (MEF) non-linéaire pour évaluer la transmission des efforts lors de l’interaction physique entre une personne et un dispositif médical mécanique (Partie 1). Les applications visent 1/ l’évaluation du risque lésionnel lors de l’interaction physique entre une personne et un dispositif médical mécanique (risques de lésions cutanées et d’inconfort liés à des surpressions résultant d’une orthèse/prothèse mal adaptée [Sections2.4,3.3] et risque d’escarres en position assise ou couchée sur des surfaces d’appui [Sections2.5,2.6,2.7,2.9,3.1,3.2])2/ l’aide à la gestion des troubles chroniques des tissus mous (prise en charge des varices de jambe [Section2.2]) et 3/ l’aide à la planification chirurgicale (non abordé dans ce manuscrit). Cependant, un certain nombre de verrous scientifiques doivent être levés pour comprendre les déterminants mécaniques de l’apparition de lésions dans les tissus mous lors d’un contact prolongé avec un dispositif externe et pour envisager l’intégration de tels outils, d’une part, dans le parcours de soins pour être en mesure de renforcer la prévention des escarres sur le plan clinique et, d’autre part, dans le milieu industriel, pour l’aide à la conception de ces dispositifs externes. Le verrou majeur réside dans le fait que les lésions tissulaires sont régies par un certain nombre de processus biologiques et physiques couplés qui se produisent à différentes échelles spatiales et ont souvent des caractéristiques temporelles très différentes. Donc, la connaissance de l’état mécanique statique local (localisation de déformation) ne suffit pas à elle seule à prédire l’apparition et l’évolution des lésions tissulaires. Pour progresser dans la représentativité de ces jumeaux numériques de l’être humain et pour assoir leur pertinence clinique, mon projet de recherche est formulé en trois axes principaux pour les années à venir (Partie 2). Premièrement, d’un point de vue clinique, la durée de la sollicitation mécanique joue un rôle crucial dans l’apparition des escarres (Coleman 13;Coleman 14). L’étude de référence étant celle de Reswick et Rogers (Reswick 76) qui a établi, en 1976, une courbe de risque de survenue d’escarre sur la base d’observations sur 980 sujets sains et patients. L’étude, plus récente de Swisher et collaborateurs montre également que l’endommagement tissulaire induite par un chargement externe et quantifiable à l’histologie, est un phénomàne réversible jusqu’à un certain seuil (Swisher 15). Ainsi, l’étude de l’évolution temporelle de la réponse mécanique et, en particulier, de la dégradation progressive des tissus mous en fonction du chargement, est essentielle pour comprendre et prévenir la formation d’escarres. Les tentatives de caractérisation de la dépendance temporelle des tissus mous supposent généralement une formulation viscoélastique et ignorent la nature poreuse du milieu (les tissus mous étant perfusés par le sang et par le fluide intestitiel, il peut être assimilé à un milieu poreux à double- porosité). Le premier objectif (détaillé dans le chapitre5 ) vise donc à explorer, à l’aide d’une approche mixte expérimentale-numérique, le lien entre réponse mécanique et microcirculation 1/ ex vivo à travers des essais classiques de laboratoire (traction/compression), in vivo dans un modèle animal et, en routine clinique, dans une population à risque (personnes agées). Ce travail permettra de poser les bases pour étudier la dégradation progressive des tissus mous lors du couplage entre la réponse mécanique et la réponse biologique (et plus particulièrement avec la biochimie de l’oxygène). Deuxièmement, d’un point de vue plus fondamental, c’est une dérégulation de la réponse inflammatoire cellulaire et les mécanismes métaboliques qui jouent un rôle clé dans l’apparition de la nécrose. Le deuxième objectif (détaillé dans le chapitre6 ) vise donc à explorer ce processus biologique complexe. Plus précisément, en utilisant une approche mixte expérimentale-numérique, l’objectif est d’étudier la cascade d’évènements reliant réponse mécanique, ischémie, inflammation, nécrose et cicatrisation dans les tissus mous biologiques dans un modèle animal et, en routine clinique, dans une population à risque (personnes agées). Ce travail permettra de mieux comprendre la dynamique inflammatoire chez les personnes qui développent une escarre. Ce travail permettra également d’étudier les traitements potentiels in silico. Troisièmement, les études de faisabilité du déploiement de tels dispositifs en milieu clinique et industriel et les études pré-cliniques et l’évaluation clinique de l’efficacité de l’approche biomécanique est la finalité à long terme visé pour avoir un impact. Le troisième objectif (détaillé dans le chapitre 7) vise donc à proposer une méthodologie pour rendre l’utilisation de tels modèles multi-échelles et multiphysiques compatibles à la routine clinique afin de pouvoir amorcer les études de faisabilité.
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Citer

Pierre-Yves Rohan. Biomechanics of soft tissue injuries resulting from mechanical interaction with external medical devices. Biomechanics [physics.med-ph]. Sorbonne Universite, 2022. ⟨tel-04107106⟩
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