Definition of a methodology to evaluate finite element models of the human heel for the prevention of pressure ulcers - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Definition of a methodology to evaluate finite element models of the human heel for the prevention of pressure ulcers

Définition d'une méthodologie pour évaluer les modèles éléments finis du talon humain pour la prévention des escarres

Résumé

The costs associated with the management of pressure ulcers are considered to be very significant in many countries being on a scale of billions of euros. The prevalence of ulcers in hospitalized patients is around 10% with the heel and sacrum being the most common sites. These two body locations are substantially different in matters of anatomy, histology and loading configurations, for this reason, this thesis will specifically focus on the prevention of heel ulcers. Precisely, in a patient laying on his back, the mechanical forces, originating by the weight of his leg and the foot are transferred to the heel bone, the calcaneus, through a relatively thin layer of soft tissues which includes fat, skin, muscle and tendons. Over time, these internal strains in tissues and cells can cause tissue breakdown and start a pressure ulcer. Therefore, a solution to track internal strains and alert when their values are too high could contribute in the prevention of heel pressure ulcers. This is a complex task as it is not possible to measure directly the strains that occur in the deep layers of the body. Medical imaging, external measurements, and cadaveric dissections can each offer only a partial information required to fully understand the role of the internal structures. Hence the only possibility to measure real time strains that occur in deep layers resulting from loading applied on the skin surface are computational simulations. In this regard, finite element (FE) modeling is a technique that permits for prediction of the performance of structural and mechanical systems. These simulations provide useful clinical information which is difficult to measure with experimental procedures. In the last decade the first FE heel models started to be developed in order to simulate the stress propagation in the heel while the subject is laying on a bed or during gait. However, the intervariability in terms of tissue morphologies and mechanical tissue properties makes this a complex task requiring subject specific models. Additionally the heel is by itself a complex structure involving a specific structure, the heel pad, situated in the lower part, composed by different tissues with different mechanical properties in close contact between each other. FE models are complex simulations that require a consistent and robust methodology for validation through rigorous experimental measurements. In literature there are to main gaps to this purpose. First, the scarcity of experimental tests to define in vivo material properties of the human fat pad. In general researchers keep implementing in their current models parameters that refer to outdated studies made on ex vivo specimens. Second, little has been done little to establish the validity of FE models via experimental measurements. Usually data from previous studies in literature is used to compare the results of contact pressures and strain propagation in internal tissues. However, as all published studies suffer from the same limitations, they not provide any meaningful validation of the results.This therefore leads us to the main research purpose of this thesis: «Definition of a new methodology to evaluate finite element models of the human heel for pressure ulcer prevention».
Les coûts associés à la prise en charge des escarres sont considérés comme très importants dans de nombreux pays puisqu'ils se chiffrent en milliards d'euros. La prévalence des ulcères chez les patients hospitalisés est d'environ 10 %, le talon et le sacrum étant les sites les plus courants. Ces deux localisations corporelles sont sensiblement différentes en termes d'anatomie, d'histologie et de configurations de chargement, c'est pourquoi cette thèse se concentrera spécifiquement sur la prévention des ulcères du talon. Précisément, chez un patient allongé sur le dos, les forces mécaniques, provenant du poids de sa jambe et de son pied, sont transférées à l'os du talon, le calcanéum, à travers une couche relativement mince de tissus mous qui comprend la graisse, la peau, les muscles et tendons. Au fil du temps, ces tensions internes dans les tissus et les cellules peuvent provoquer une dégradation des tissus et déclencher une escarre. Par conséquent, une solution pour suivre les contraintes internes et alerter lorsque leurs valeurs sont trop élevées pourrait contribuer à la prévention des escarres du talon. Il s'agit d'une tâche complexe car il n'est pas possible de mesurer directement les contraintes qui se produisent dans les couches profondes du corps. L'imagerie médicale, les mesures externes et les dissections cadavériques ne peuvent offrir chacune qu'une information partielle nécessaire pour bien comprendre le rôle des structures internes. Par conséquent, la seule possibilité de mesurer les déformations en temps réel qui se produisent dans les couches profondes résultant de la charge appliquée sur la surface de la peau sont des simulations informatiques. À cet égard, la modélisation par éléments finis (FE) est une technique qui permet de prédire la performance des systèmes structurels et mécaniques. Ces simulations fournissent des informations cliniques utiles qui sont difficiles à mesurer avec des procédures expérimentales. Au cours de la dernière décennie, les premiers modèles de talon EF ont commencé à être développés afin de simuler la propagation des contraintes dans le talon lorsque le sujet est allongé sur un lit ou pendant la marche. Cependant, l'intervariabilité en termes de morphologies tissulaires et de propriétés mécaniques des tissus en fait une tâche complexe nécessitant des modèles spécifiques au sujet. De plus, le talon est en lui-même une structure complexe impliquant une structure spécifique, la talonnière, située dans la partie inférieure, composée de différents tissus aux propriétés mécaniques différentes en contact étroit les uns avec les autres. Les modèles FE sont des simulations complexes qui nécessitent une méthodologie cohérente et robuste pour la validation par des mesures expérimentales rigoureuses. Dans la littérature, il y a des lacunes principales à cet effet. Premièrement, la rareté des tests expérimentaux pour définir les propriétés matérielles in vivo du coussinet adipeux humain. En général, les chercheurs continuent d'implémenter dans leurs modèles actuels des paramètres faisant référence à des études obsolètes réalisées sur des échantillons ex vivo. Deuxièmement, peu a été fait pour établir la validité des modèles FE via des mesures expérimentales. Habituellement, les données d'études antérieures dans la littérature sont utilisées pour comparer les résultats des pressions de contact et de la propagation des contraintes dans les tissus internes. Cependant, comme toutes les études publiées souffrent des mêmes limites, elles ne fournissent aucune validation significative des résultats.Cela nous amène donc à l'objectif principal de recherche de cette thèse : "Définition d'une nouvelle méthodologie pour évaluer les modèles d'éléments finis du talon humain pour la prévention des escarres".
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04099932 , version 1 (17-05-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04099932 , version 1

Citer

Alessio Trebbi. Definition of a methodology to evaluate finite element models of the human heel for the prevention of pressure ulcers. Health. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALS038⟩. ⟨tel-04099932⟩
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