Analyse d'une chaine numérique pour développement de dispositifs médicaux implantables adaptatifs réalisés par fabrication additive et soustractive. // analysis of a digital chain for the development of adaptive implantable medical devices produced by add

Topic description

Avec le développement des techniques d'impression 3D métal, les dispositifs médicaux subissent de constantes évolutions. Aujourd'hui, réaliser un implant personnalisé en titane est possible mais les délais rendent la personnalisation à grande échelle complexe à mettre en œuvre.
Cette thèse a pour but de mieux comprendre les mécanismes de conception et d'optimisation d'implants médicaux dédiés à la réparation osseuse, tant sur la géométrie de l'implant que son architecture interne. En effet, une nouvelle génération d'implants médicamenteux va intégrer un réseau macroporeux interne capable de contenir un principe actif, dédié à la libération d'antibiotique à but thérapeutique ou prophylactique. Ce travail s'appuiera sur des approches de modélisations mathématiques, type programmation linéaire (en nombres entiers) ou programmation par contraintes, des outils de simulations numériques et des techniques d'apprentissage automatique.
Dans un premier temps, le travail sera articulé sur la conception d'une base de données d'images médicales qui seront traitées au moyen de réseau de neurones convolutifs pour identifier les règles de conception adaptées aux cas cliniques. Ces règles seront soumises à validation par le biais de simulations numériques et d'essais mécaniques.
Dans un second temps, en utilisant des approches de modélisation mathématiques, un réseau poreux interne sera développé et optimisé à l'intérieur de l'implant pour accueillir les médicaments.
En perspectives, à l'issue de l'identification des paramètres clés, un outil numérique sous la forme d'une interface web vectorielle de communication entre concepteurs et praticiens, sera créé afin de tester le déploiement de la solution numérique globale.
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Thanks to the development of 3D metal printing techniques, medical devices are constantly evolving. Today, it is possible to produce a customised titanium implant, but the lead times involved make large-scale customisation complex to implement.

The aim of this thesis is to gain a better understanding of the mechanisms involved in the design and optimisation of medical implants for bone repair, both in terms of implant geometry and internal architecture. Indeed, a new generation of medicinal implants will incorporate an internal macroporous network capable of containing an active principle, dedicated to the release of antibiotics for therapeutic or prophylactic purposes. This work will be based on mathematical modelling approaches, such as linear programming (in integers) or constraint programming, numerical simulation tools and machine learning techniques.

Initially, the work will be based on the design of a database of medical images, which will be processed using convolutional neural networks to identify design rules adapted to clinical cases. These rules will then be validated using numerical simulations and mechanical tests.
This work will be based on mathematical modelling approaches, such as linear programming (in integers) or constraint programming, numerical simulation tools and machine learning techniques.

Secondly, using mathematical modelling approaches, an internal porous network will be developed and optimised inside the implant to accommodate the drugs.
Once the key parameters have been identified, a digital tool in the form of a vector-based web interface for communication between designers and practitioners will be created to test the deployment of the overall digital solution.
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Début de la thèse : 01/10/

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Programmes de l'Union Européenne de financement de la recherche (ERC, ERASMUS)