Développement d’un modèle prédictif de remodelage osseux orthodontique à partir de données patients

1. Contexte
Le sujet proposé s’insère dans le cadre de l’amélioration des traitements orthodontiques. Ces
traitements se développent autour de l’étude de forces et de moments appliqués aux dents qui vont se
déplacer grâce au remodelage osseux sous l’action de ces forces par l’intermédiaire de la réponse
biologique dans les tissus. Les connaissances scientifiques des phénomènes à l’origine du déplacement
dentaire sont encore assez méconnues. Le projet proposé s’intéresse à l’amélioration des
connaissances mécanobiologiques à l’origine du remodelage osseux orthodontique afin de pouvoir
améliorer les procédures médicales en cours et de proposer à terme des outils numériques prédictifs qui
aideront les praticiens et simplifieront les procédures dans leurs traitements.

2. Objectifs
Les équipements orthodontiques, particulièrement les fils vendus par les fournisseurs et qui sont à
l’origine du traitement présentent des variabilités de propriétés mécaniques impactant leur
comportement alors même que ces données ne sont que très rarement fournies par les fabricants. Par
ailleurs, les procédures mises en place par le praticien nécessitent une grande expertise et donc un
temps long d’apprentissage. Enfin, la connaissance détaillée des phénomènes physiologique du
remodelage osseux dentaire reste encore aujourd’hui assez mal connue. Le projet propose donc
d’aborder le sujet sur 3 axes dont les objectifs sont :
1- Proposer une méthode de quantification précise des forces mécaniques appliquées aux dents. Le
choix porte sur la procédure de type « technique segmentée » qui permet une bonne quantification
des forces et moments appliqués aux dents. A travers des expérimentations, nous pourrons
déterminer avec précision le comportement mécanique des différents types de fils orthodontiques et
ainsi les forces mécaniques transmises aux dents. Le premier objectif est d’acquérir ces données
expérimentales à l’origine du traitement et serviront de données d’entrées des modèles numériques.
2- Le second objectif sera de développer et d’implémenter les modèles théoriques numériques
permettant d’identifier plus précisément les paramètres mécanobiologiques à l’origine du remodelage
osseux et à travers le ligament parodontal.
3- Le dernier objectif est de valider les résultats obtenus par les modèles sur des données
expérimentales de suivi patients. Une optimisation des paramètres des modèles pourra se faire avec
la mise en parallèle des résultats numériques et l’évolution du traitement pour chaque patient.
Finalement, la connaissance de la biologie spécifique au remodelage osseux orthodontique couplée aux
prédictions des modèles permettra au praticien une amélioration de ces procédures médicales et
facilitera celles des jeunes praticiens.

3. Développement
Le projet s’inscrit dans un couplage entre les deux universités, française et italienne, à travers les parties
expérimentales, médicales, théorique et numérique. Deux orthodontistes (un Français et un Italien),
participeront à l’acquisition et au traitement des données expérimentales et de suivi des patients.
L’université del’Aquila portera en grande partie les développements théoriques ainsi que la réalisation de
tests mécaniques de caractérisations des fils. L’université de Strasbourg portera le développement et
l’implémentation des codes de simulation et de modélisation multiphysique et mécanobiologique par
éléments finis. La validation et l’interprétation des résultats obtenus se feront de manière collégiale entre
les deux universités et les orthodontistes.
Le travail principal de la thèse sera le développement et la validation des modèles théoriques
numériques. Le(la) doctorant(e) aura en charge le développement des modèles par éléments finis à
partir des images médicales. Il(elle) devra partir des modèles de remodelages osseux dentaires produits
dans l’équipe de Strasbourg afin de les appliquer sur des géométries réelles de patients au cas de la
procédure de la « technique segmentée ». Le verrou scientifique principal est de proposer un modèle
mécanobiologique hétérogène anisotrope et multiphysiques afin d’identifier avec précision les
paramètres mécanobiologiques à l’origine du remodelage osseux orthodontique et de les optimiser pour
cette technique. Pour cela des modèles mécanobiologiques théoriques spécifiques, intégrant l’activation
cellulaire à partir de la physique des tissus biologiques hétérogènes (PDL), devront être mis en place.
Cette physique devra ensuite être transférée à la microstructure osseuse anisotrope environnante par
l’intermédiaire du modèle éléments finis pour déterminer pour chaque patient la cinétique de remodelage
osseux.
A l’issue de ce travail, les paramètres des modèles seront optimisés pour que les prédictions de
remodelages osseux puissent être validées sur les données de suivi patients pour chaque cas.

Le laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (UMR7357)

L'année 2013 voit la naissance du laboratoire ICube, un formidable projet sous l'égide du CNRS, de l'Université de Strasbourg, de l’ENGEES et de l’INSA de Strasbourg. 

Le laboratoire rassemble à parts égales deux communautés scientifiques à l’interface entre le monde numérique et le monde physique, lui donnant ainsi une configuration unique.

Avec près de 650 membres, il est une force de recherche majeure du site de Strasbourg. Fédéré par l'imagerie, ICube a comme champs d'application privilégiés l'ingénierie pour la santé, l'environnement et le développement durable.

Le sujet nécessite de bonnes connaissances en mécanique, physique et numérique. Un minimum de
compétences expérimentales sera aussi souhaité pour les tests de caractérisation des équipements
orthodontiques. Les domaines d’expertises acquis à l’issue de la thèse sont : (i) comportement des
matériaux (biologiques et inertes) à structures complexes et méthodes d’homogénéisation et de
phénomènes diffusifs, (ii) modélisations et simulations numériques par la méthode des éléments finis,
(iii) développement d’outils numériques prédictifs visant une meilleure compréhension et une aide aux
procédures dans les domaines médicaux. Le(la) candidat(e) doit posséder un diplôme équivalent Master
2 délivré par un établissement français pour pouvoir postuler sur ce sujet.