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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/
� 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
• 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
• 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
• 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
• 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
prin. strain (µε).
Minimum
prin. strain (µε).
13 -- --Value analysis Characterization
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
prin. strain (µε).
14 -- --Value analysis Characterization
Verrous
Coopé.
Modeling
Equivalent stress
Christensen model - TMJ Medical, Golden CO
15 -- --Value analysis Characterization
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
• 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