Comparaison in-silico des implants acromion Levy de type II

L'optimisation des performances est bien établie dans le processus de développement des produits en général. Cependant, dans le domaine de la biomécanique, les formes complexes et les divers scénarios de charge superposés aux différences morphologiques de chaque patient compliquent le développement de modèles d'implants spécifiques adaptés au traitement de fractures osseuses. L'optimisation topologique est un outil basé sur la méthode des éléments finis. Cela permet de générer automatiquement des structures optimisées pour des scénarios de charge spécifiques. Cet outil a un grand potentiel pour accroître l'efficacité lors de la conception d'implants spécifiques à chaque patient.

Dans ce projet de l'Université des sciences appliquées et des arts du Nord-Ouest de la Suisse, en collaboration avec le Dr Karim Eid de l'hôpital cantonal de Baden, la fracture de l'acromion Levy de type II, consécutive à des arthroplasties inversées de l'épaule sera évaluée. Les mécanismes exacts conduisant à une telle fracture ne sont pas encore totalement compris. De plus, il n'existe pas d'implants spécifiquement développés pour traiter cette fracture. Ce travail a pour but d'expliquer qualitativement les causes d'une fracture de l'acromion de Levy de type II à l'aide d'une étude mécanique structurelle in-silico, de développer des designs d'implants spécifiques en utilisant l'optimisation topologique, et de comparer les performances des implants optimisés avec les designs classiques (plaque de clavicule latérale).

Les études de simulation ont montré que des contraintes équivalentes potentiellement critiques peuvent se produire sous l'arc de l'acromion, tandis que des contraintes principales maximales critiques se développent sur le bord supérieur-antérieur de l'acromion, ce qui peut favoriser le début d'une fracture de Lévy II.

Par rapport à une plaque de clavicule classique, les conceptions d'implants à topologie optimisée ont montré des performances meilleures ou améliorées en ce qui concerne les contraintes et déformations maximales. En outre, ils présentaient plusieurs autres avantages : meilleur ajustement anatomique, meilleure exploitation de la masse, distribution plus homogène des contraintes, ce qui pourrait conduire à un meilleur comportement en fatigue.

Les analyses par éléments finis et l'optimisation de la topologie sont des outils puissants pour l'évaluation de problèmes biomécaniques complexes. Ces derniers peuvent fournir des indications précieuses sur des conceptions d'implants véritablement conformes et optimisées en termes de contraintes, sans s'appuyer uniquement sur des conceptions d'implants historiquement justifiées.

Un modèle d'os cortical 3D spécifique au patient pour un complexe d'épaule simplifié (scapula et clavicule) basé sur des données CT a été construit. Les vecteurs de force musculaire pour les muscles deltoïdes antérieur, moyen et postérieur ont été extraits de la littérature afin de générer les cas de charge pour un modèle d'éléments finis spécifique au patient qui décrit le comportement biomécanique pour l'abduction et la flexion dans la plage de 15 à 120°. Des analyses automatisées pilotées par des paramètres ont été réalisées à l'aide d'ANSYS optiSLang afin d'évaluer les contraintes et les déformations dépendant de l'angle dans la région de type II de Levy. Cette analyse a été prolongée par une analyse de sensibilité basée sur les changements de magnitude, d'orientation et d'origine des forces musculaires. Sur la base des scénarios de charge critique obtenus, une optimisation topologique d'un implant adapté au patient a été mise en place. Les forces musculaires des angles d'abduction et de flexion étudiés ont été pondérées en fonction de leur fréquence d'apparition au cours d'une journée. Les performances des conceptions d'implant résultantes pour le traitement préventif (avant la fracture de type II de Levy) et curatif (après la fracture de type II de Levy) ont été comparées aux plaques latérales de clavicule standard.