Modélisation en chirurgie maxillo-faciale Contexte de l’étude

Il s’agit d’un essai extrêmement sévère. Le manipulateur doit s’y reprendre à plusieurs fois pour faire passer la prothèse à travers l’anneau. Nous avons tenté de modéliser cet acte en une seule étape et avons atteint les limites de notre modèle. Comme on peut le constater sur la Figure 128 des problèmes d’interpénétration du maillage dans les zones les plus comprimées ont été relevés, et ce malgré la finesse du maillage et la relative robustesse de l’algorithme de gestion du contact observée jusqu’ici. Dans ces zones, l’enveloppe présente des replis de la matière sur elle-même.

Certains nœuds du maillage entrent en contact avec d’autres nœuds du même domaine, ce qui entraîne une divergence du calcul.

Figure 128 : Modélisation du passage de la prothèse à travers un anneau

Ce résultat reflète peut-être par ailleurs une incapacité physique de la prothèse à passer à travers l’anneau en une seule étape.

2.7.7 Modélisation en chirurgie maxillo-faciale

Figure 130 : Opération de distraction ostéogénique symphysaire suivie d’un traitement orthodontique

Cependant, cette technique entraîne des modifications positionnelles des deux articulations temporo-mandibulaires et par conséquent des modifications des contraintes mécaniques au cours des efforts de mastication. Le délai de suivi clinique actuel est trop court pour déterminer si ces modifications des contraintes mécaniques peuvent être à l’origine de pathologies liées au dysfonctionnement des articulations temporo-mandibulaires (en particulier des douleurs chroniques).

L’articulation étant particulièrement délicate à étudier expérimentalement, nous avons envisagé, dans le cadre de la thèse de Charles Savoldelli, de recourir à la simulation numérique afin d’évaluer l’impact de cette technique chirurgicale et de prédire ses conséquences cliniques. Pour peu qu’il soit prédictif, l’outil numérique pourrait en effet permettre de déterminer la distance maximum de distraction symphysaire à ne pas dépasser au risque d’entraîner des modifications significatives des contraintes articulaires. Le seul modèle éléments finis simulant la distraction symphysaire existant étudie la répartition des contraintes osseuses au niveau du dispositif de distraction lui-même (Boccaccio, 2008). Aucun modèle numérique simulant la distribution des contraintes biomécaniques articulaires durant une distraction symphysaire mandibulaire n’est référencé dans la littérature.

Notre travail a consisté à combler le manque dans ce domaine en créant un modèle éléments finis complet du massif facial à partir de l’imagerie médicale et en simulant la répartition des contraintes des disques articulaires lors d’un cycle de fermeture buccale.

Création du modèle géométrique

Des coupes tomodensitométriques et IRM ont été réalisées à partir du massif facial d’un sujet sain sans élément prothétique intra buccal. Les images obtenues ont été exportées vers un logiciel de segmentation 3D (Amira 3D®). Chaque zone anatomique d’intérêt a fait l’objet d’un maillage spécifique. La mandibule, les structures osseuses du reste du massif facial et les dents ont été maillées à partir des coupes scannographiques. Le disque articulaire et les tissus de connexion ont été maillés à partir des coupes IRM. L’élaboration du maillage a nécessité un travail extrêmement rigoureux et fastidieux de sélection manuelle de chaque zone anatomique sur chacune des coupes scannographiques et IRM. Cette tâche était nécessaire pour différencier des objets différents mais ayant des propriétés de contraste radiologiques très proches.

Figure 131 : Segmentation manuelle des images issues du scanner et de l’IRM

Une opération de triangulation a permis d’obtenir un maillage surfacique puis volumique dans un format compatible avec FORGE®. Chaque objet comportait de 730 à 73 372 éléments.

L’ensemble des structures osseuses du massif facial a fait l’objet d’un maillage unique en raison de leurs propriétés identiques. L’os mandibulaire a quant à lui fait l’objet de deux maillages distincts, l’os cortical d’une part et l’os spongieux de l’autre, offrant ainsi la possibilité d’attribuer à chacun sa propre loi de comportement. Cette étape a permis de construire un modèle éléments finis du système masticatoire humain composé de 386 092 éléments tétraédriques au total (Figure 132).

Figure 132 : Modèle éléments finis du système masticatoire humain

Les structures anatomiques représentées dans ce modèle sont l’os cortical et l’os spongieux mandibulaires, le crâne, les dents maxillaires et mandibulaires, les disques articulaires et les tissus de connectivité. Contrairement à de nombreux modèles présents dans la littérature qui ne modélisent qu’une partie du massif facial (gauche ou droite) et extrapolent les résultats à l’autre partie, l’asymétrie naturelle est respectée dans notre cas. Afin de modéliser la fermeture buccale, les principaux muscles intervenant dans ce mouvement (masséter, temporal et ptérygoïdien) ont été représentés à l’aide de « vecteurs de forces » (Figure 133). L’amplitude des vecteurs a été déterminée en fonction de la section physiologique des muscles et l’origine de l’insertion musculaire ainsi que sa direction ont été déterminées à partir de mesures anatomiques disponibles dans la littérature.

Figure 133 : Prise en compte des muscles masticateurs

Des lois de comportement hypoélastiques ont été attribuées aux tissus osseux, tandis que des lois hyperélastiques (modèles néo-Hookéen) ont été sélectionnées pour les tissus mous. Les paramètres rhéologiques sont issus soit de la littérature soit des données identifiées par nos propres moyens par analyse inverse.

Un contact bilatéral collant a été considéré entre les os et les tissus de connectivité ainsi qu’entre l’os cortical et l’os spongieux mandibulaires. Un contact de type Coulomb « frottement faible » a été imposé entre les dents et l’os de la mâchoire. La couche de cartilage qui s’interpose entre les disques de l’articulation et les os temporaux et condyliens n’a pas été à proprement modélisée mais a été prise en compte à travers une loi de contact de type « glissant ».

Modélisation d’une opération de distraction symphysaire

Le point de départ de la simulation se fait avec la mâchoire légèrement ouverte. L’acte d’ostéotomie a été simulé en réalisant un double ébavurage de la mandibule. Pour modéliser la distraction proprement dite, des plans verticaux ont été apposés sur les deux segments osseux de façon à les écarter l’un de l’autre (Figure 134) jusqu’à atteindre un espacement total de 10 mm (correspondant à une dizaine de jours de traitement réel).

(a) Début de la distraction

(b) Fin de la distraction

Figure 134 : Modélisation de la distraction symphysaire

Ne disposant pas encore dans FORGE® d’un module de remodelage osseux, il n’y a pas d’os créé dans l’interstice au cours de la distraction. Nous avons ajouté manuellement un cal osseux (constitué

de 1 253 éléments) pour relier entre eux les segments mandibulaires libres (Figure 135). Nous lui avons attribué le comportement d’un os consolidé.

Figure 135 : Ajout manuel d’un cal osseux

Modélisation de la fermeture buccale

Nous avons ensuite modélisé le mouvement de fermeture buccale en activant les vecteurs de force de manière linéaire avant et après distraction et avons comparé les cartes de contraintes de von Mises au niveau des disques articulaires (Figure 136) et des branches condyliennes, pour des distances inter-incisives de 8, 6, 4 et 2 mm.

(a)

(b)

Figure 136 : Coupes (a) longitudinale et (b) transversale de l’articulation (contraintes de von Mises)

La comparaison des cartes de contraintes (Figure 137) montre qu’elles sont à l’image du crâne humain, à savoir asymétriques, d’où l’importance de considérer l’ensemble du massif et de ne pas se contenter d’une moitié. Les pics de contraintes apparaissent essentiellement sur les contours des disques.

Figure 137 : Cartes de contraintes avant et après distraction ; articulations et branches condyliennes gauche et droites

Les valeurs maximales sont relativement proches dans les deux configurations (14,80 MPa après distraction contre 13,24 avant). Cette faible différence ne permet pas de présupposer d’éventuels changements anatomiques de l’articulation pouvant expliquer une fatigue à long terme des tissus impliqués. Ce résultat semble conforter la théorie clinique selon laquelle la distraction symphysaire n’entraîne pas de dysfonction majeure de la jonction temporo-mandibulaire ou de résorption condylienne. En revanche certains auteurs, dans des cas d’apparition de douleurs chroniques, semblent maintenant mettre en cause la vitesse et la fréquence auxquelles sont réalisées les distractions (1 mm par jour en une ou deux fois, pendant 10 jours). Ceci influe en effet considérablement sur le remodelage osseux.