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Caractérisation et Modélisation personnalisée du Système MUsculo-SqueleTtique (C2MUST)

L’équipe C2MUST développe des outils/méthodes diagnostiques pour la compréhension, la détection et/ou le suivi du système Musculo–Tendineux-Squelettique (MTS), dans des situations physio et pathologiques d’intérêt. Cette caractérisation et modélisation du système MTS à différentes échelles s’appuie sur une approche interdisciplinaire indispensable pour personnaliser le suivi et la thérapie grâce à une modélisation adaptée au sujet.

Description

L'originalité de cette équipe est son domaine d'application : le système musculo/ tendineux/squelettique. Ce domaine est au carrefour d'enjeux méthodologiques (modèles complexes personnalisés, identification de paramètres, modélisation et propagation des incertitudes liées aux données et aux modèles), d'enjeux instrumentaux (développement de méthodes expérimentales innovantes), et d'enjeux cliniques (compréhension des pathologies, aide au diagnostic basée sur le modèle) nécessitant le regroupement de compétences multidisciplinaires.

L'activité de cette équipe est structurée autour de deux thèmes:


  • Caractérisation multi-échelle et multi-physique


Ce thème s'appuie sur une approche expérimentale, qui vise à caractériser les tissus osseux, tendineux et musculaire, seuls ou en interaction, tissus sain et pathologique. Le but est de comprendre les relations structure/propriétés mécaniques au sein de ces tissus et de fournir une base de connaissances pour des modélisations multi-tissus et fonctionnelles. Les résultats permettront une interaction avec le thème 2 pour la compréhension des interactions au sein du système MTS complexe.

  • Modélisation multi-physique et traitement de données multimodales

Ce thème vise à développer i) des modèles électrique et biomécanique et multi-échelle pour une meilleure compréhension du système de système (SdS) MTS; ii) des outils d'analyse et d'aide à la décision utilisant des données multimodales. Les verrous scientifiques nécessitent des compétences pluridisciplinaires pour développer, valider et personnaliser les modèles et outils d'aide à la décision. Il comprend trois projets, et s'appuiera sur une collaboration forte, avec le thème 1 et la plateforme " Technologie, Sport & Santé ".

Partenaires cliniques

CH Compiègne, Polyclinique Saint Côme, CHU Amiens, Institut de Myologie, IFF - Institut Faire Faces, Royal Hospital for Children – Melbourne, Mayo Clinic – Rochester, MN, USA, CHU Charles Foix, Hôpital R. Poincaré (AP-HP) Garches.

Partenaires scientifiques

Echosens, Paris ; Harbin Institute of Technology, Shenzen (Chine) ; Institut de Médecine du Sport de Copenhague (Danemark) ; TMSi, Oldenzaal, Pays Bas ; Centre de Biophysique Moléculaire (CBM), Université d’Orléans ; Genethon, Plateforme In Vivo, Evry ; Institut Pasteur, Lille ; Universitat Pompeu Fabra, Barcelone (Espagne) ; Universität Siegen, Siegen (Allemagne) ; Institut de la Longévité, CHU Charles Foix.

Projets

Nationaux

  • 1 ANR CONTINT 
  • 2 projets CNES
  • 3 projets Labex MS2T
  • 6 financements Régionaux (3 projets internationaux –porteurs, 1 bourse à l’émergence, 2 financements CPER)
  • 6 projets PIA (2 projets : Convergence « Cycles de Vie » (PI)
  • IUIS (Institut Universitaire d’Ingénierie pour la Santé)
  • participation à deux Chaires SU

Internationaux

  • un financement Projet ERANet ERASYSBio (Coordination) 
  • un ICT VHP (Virtual Physiological Human) (responsabilité WP) 
  • 2 projets MAE

Attractivité

3 chercheurs Invités (Islande, Chine, Italie), 4 post-doc extérieurs (dont 1  ensuite recruté comme IR CNRS), intégration de 2 MCU (Paris 13, UPMC), accueil 2 étudiantes Erasmus, bourses mobilités SU (financement de 2 étudiants HIT)

Organisation de manifestations

Manifestations internationales 

  • comité scientifiques : ESB (2012-présent)
  • MEDICON 2013
  • World Congress of Biomechanics 2014 (membre du board)
  • KSE 2013 ET 2014
  • IEEE RIVF 2015
  • IEEE ICABME 2015
  • IEEE BioSmart 2016 
  • organisation de Minisymposium : ICCB  2015 et 2017
  • KSE 2012, 2014, 2016

Manifestations nationales 

  • comité d’organisation : RITS 2013 et 2015
  • Workshop Labex 2013
  • JETSAN 2015

Participation à des expertises

  •  Expertises nationales : ANR programmes SIMI9, Tecsan, Blanc JC, International, Emergence ; ANRT ; CRITT
  •  Expertises internationales : Medical Research Council, UK ; National Science Centre, Poland
  • Comités d’experts : comités d’évaluation CIC-IT INSERM, AERES et HCERES ; Comité de réflexion Modélisation/ Simulation de l’AVIESAN ; CNU 60, 61 et 66 ; Comité PES (Prime d’Excellence Scientifique),
  • Conseils : Conseil Scientifique U. Paris 13, Conseil de DEFI 4 (Life, Health and Well Being) ; Conseil scientifique auprès de la Startup AKIROS.

Comité éditorial

  • Éditeurs associés de la revue IRBM
  • Coordination d’une Collection « Bioengineering and Health Science » (ISTE-Elsevier)

Autres activités

  • Membre nommé CS INSIS (2011-2014)
  • Direction déléguée CNRS du Collegium UTC CNRS INSIS (2011-2017)
  • Présidence du Conseil d’Administration en Formation Restreinte 2009-2013
  • Membre du Conseil Scientifique et de l’Ecole Doctorale de l’UTC depuis 2013 et du conseil de l’Ecole Doctorale Matisse, U. Rennes 1 depuis 2013
  • Membres des GDR, plus particulièrement le GDR ISIS et STIC-Santé (Co-responsabilité Thème A «Modélisation Simulation appliquées à la Santé »)

Caractérisation multi-échelle et multi-physique

Coordinateurs scientifiques : S. Bensamoun et K. EL-Kirat


Ce thème s'appuie sur une approche expérimentale, qui vise à caractériser les tissus osseux, tendineux et musculaire, seuls ou en interaction, tissus sain et pathologique. Le but est de comprendre les relations structure/propriétés mécaniques au sein de ces tissus et de fournir une base de connaissances pour des modélisations multi-tissus et fonctionnelles.

Les résultats permettront une interaction avec le thème 2 pour la compréhension des interactions au sein du système MTS complexe. 
Les études prévues dans ce thème s'organisent principalement autour de trois projets, dont un émergent :


K. El Kirat (porteur), TT Dao, MC Hobatho, J. Landoulsi


L'os est un tissu hétérogène et anisotrope, soumis à de fortes contraintes biomécaniques en remodelage continu. Les relations structure et propriétés mécaniques en restent difficiles à déterminer. Cependant elles permettraient de comprendre les facteurs qui influencent la biomécanique osseuse à différentes échelles pour proposer des dispositifs médicaux innovants.

Notre projet vise donc à poursuivre la caractérisation et la modélisation mécaniques de l'os à différentes échelles et les compléter par deux nouvelles approches : l'une de désassemblage et l'autre d'assemblage. En effet, les relations entre les matières organique et minérale constitutives sont fondamentales pour comprendre les propriétés de l'os humain.

Dans le désassemblage les parts organique et minérales seront altérées de façon sélective pour comprendre l'influence de chacun de ces constituants. L'assemblage permettra de reconstituer des systèmes basés sur les deux constituants qui seront ensuite caractérisés par des méthodes mécaniques aux échelles micro et nano- métriques.

La modélisation permettra d'optimiser ces assemblages, de comprendre l'influence de l'organisation à la plus petite échelle sur les propriétés mécaniques multi-échelles, selon différentes sollicitations ou situations physiologiques.



S. Bensamoun (porteur), K. Ben Mansour, S. Boudaoud, F. Canon, F. Charleux, T.T. Dao, K. El Kirat, D. Gamet, O. Gapenne, J. Landoulsi, P. Pouletaut, M. Vayssade (CBB)


In vitro : Les propriétés viscoélastiques des tissus musculaire et hépatique, seront caractérisées par élastographie IRM (ERM). Des protocoles IRM/ERM seront développés en collaboration avec des cliniciens.

Les informations musculaires seront corrélées aux informations fonctionnelles obtenues par EMG de surface haute résolution et formeront un atlas, pour le suivi des traitements et la modélisation du MTS. En parallèle, des fantômes, seront développés pour optimiser les protocoles avant leur application in vivo.


In vivo : Un modèle de souris TIEG1 " TGFb inducible early gene1 ", présentant des anomalies du système MTS, nous a permis d'analyser l'effet du gène TIEG1 sur le système os, tendon.

Ce gène TIEG1 étant très exprimé dans le muscle, une caractérisation multi-échelles sera faite avec différentes techniques expérimentales et permettra de comprendre son effet sur le développement du muscle et de définir des stratégies thérapeutiques.


J-F. Grosset (porteur), K. Ben Mansour, F. Canon, C. Legallais (CBB), F. Marin, M. Vayssade (CBB)


Une évaluation multi-échelle de l'effet du vieillissement et de l'activité physique ou de la déshydratation sur les structures musculaires et tendineuses permettra d'étudier :

  • les relations structure-propriétés du complexe musculo- tendineux,
  • l'impact des modifications de ce complexe sur la stabilité posturale et la capacité de mouvement des personnes âgées,
  • les origines cellulaires de ces adaptations.

Ainsi nous pourrons mieux comprendre l'adaptation musculo-tendineux et optimiser l'activité physique chez la personne âgée.

Des protocoles seront développés chez l'Homme (relations structure-propriétés, suivi de ces structures au cours du de l'entrainement du membre inférieur), et in vitro chez l'animal (relations structure-propriétés de muscles isolés, de tendons isolés, et de la jonction musculo- tendineuse).

Modélisation multi-physique et traitement de données multimodales

Coordinateurs scientifiques : S. Boudaoud et T. T. Dao

Ce thème vise à développer :

  • des modèles électrique et biomécanique et multi-échelle pour une meilleure compréhension du système de système (SdS) MTS,
  • des outils d'analyse et d'aide à la décision utilisant des données multimodales.

Les verrous scientifiques nécessitent des compétences pluridisciplinaires pour développer, valider et personnaliser les modèles et outils d'aide à la décision.

Il comprend trois projets, et s'appuiera sur une collaboration forte, avec le thème 1 et la plateforme "Technologie, Sport & Santé".

S. Boudaoud (porteur), T.T. Dao, O. Fokapu, D. Gamet, M-C. Ho Ba Tho, J. Laforêt, F. Marin, C. Marque


Des modèles multi-physiques multi-échelles personnalisables, pour la détection, la prévention et le suivi de pathologies (accouchement prématuré, sarcopénie) ou de situations physiologiques d'intérêt (entrainement) seront développés dans ce projet. Ils serviront à la compréhension du comportement musculaire pour répondre à des questions médicales et personnaliser les thérapies.

Ce projet cible les verrous scientifiques liés à cette modélisation: modèles complexes, analyse de sensibilité, identification de paramètres, co-simulation et temps de calcul acceptable, validation et personnalisation.


T.T. Dao (porteur), S. Bensamoun, S. Boudaoud, K. El Kirat, D. Gamet, M-C. Ho Ba Tho, D. Istrate, P. Pouletaut


Les modèles mécanistiques sont développés à partir des données multimodales en biomécanique, mais leurs utilisations cliniques sont limitées. Les défis scientifiques associés sont :

  • la quantification de la fiabilité de ces modèles et de leur prédiction,
  • des systèmes d'aide à la décision de nouvelle génération nécessaires au transfert clinique,
  • des modalités expérimentales multiples nécessaires au développement et à la validation des modèles (i.e. recueil continu ambulatoire de données).

Ces données sont entachées d'incertitudes, dues à la variabilité humaine, aux protocoles de mesures et aux modèles. Une nouvelle approche de conception du système d'aide à la décision sera nécessaire pour intégrer les modèles et simulations biomécaniques ainsi que la fiabilité et l'incertitude, pour quantifier les risques associés au système et à son exploitation.



F. Marin (porteur), S. Boudaoud, S. Bensamoun , J-F. Grosset, K. Ben Mansour, F. Megrot


Ce projet en continuité du thème émergent "système NeuroMusculoSquelettique" comprend trois défis :

  • Défi technologique : comment faire la mesure des mouvements humains et animaux en laboratoire ou en situation écologique, et, avec quelles technologies.
  • Défi topologique : détermination mathématique d'un mouvement fini et continu pour un segment anatomique, et d'une métrique permettant de quantifier une distance entre deux mouvements.
  • Défi biomécanique : identification des structures biologiques qui guident, produisent ou limitent le mouvement...

Pour répondre à ces défis, la méthodologie combinera 2 volets :

  • volet expérimental pour la captation du mouvement (réalité terrain, plateforme Technologie sport santé);
  • volet modélisation (descriptive ou prédictive, cinématique inverse, modélisation musculo-squelettique).

Pour aller plus loin

Contact

Responsable scientifique
Catherine Marque
Tél : 03 44 23 44 23 | Contacter par mail

Responsable scientifique
Sabine Bensamoun
Tél : 03 44 23 44 23 | Contacter par mail

La recherche à l'UTC

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