Le meilleur traitement des troubles des mobilités du système pelvien féminin est un enjeu de société concernant particulièrement les femmes âgées. C'est dans ce contexte que cette thèse porte sur le développement des méthodes d'analyse d'images médicales permettant d'évaluer les mobilités pelviennes et modéliser les géométries des organes pelviens. Pour ce faire, nous proposons des solutions reposant sur le recalage des modèles déformables sur des images, issues de la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). L'ensemble des résultats permet, à partir d'IRM, spécifiquement à chaque patiente, de détecter la forme et de quantifier le mouvement d'une part des organes et de reconstruire leurs surfaces. Ce travail facilite la simulation du comportement des organes pelviens par la méthode des éléments finis. L'ensemble des outils développés a pour objectif d'aider à comprendre le mécanisme des pathologies. Ceci permettra enfin de mieux prédire l'apparition de certaines d'entre elles, de préciser et personnaliser les procédures chirurgicales. / The better treatment of female pelvic mobility disorders has a social impact affecting particularly aged women. It is in this context that this thesis focuses on the development of methods in medical image analysis, for the evaluation of pelvic mobility and the geometric modeling of the pelvic organs. For this purpose, we provide solutions based on the registration of deformable models on Magnetic Resonance Images (MRI). All the results are able to detect the shape and quantify the movement of a part of the organs and to reconstruct their surfaces from patient-specific MRI. This work facilitates the simulation of the behavior of the pelvic organs using finite element method. The objective of these developed tools is to help to better understand the mechanism of the pathologies. They will finally allow to better predict the presence of certain diseases, as well as make surgical procedures more accurate and personalized.

L'objectif principal de notre projet est de créer un modèle numérique complet du système pelvien de la femme enceinte prenant en compte l'intégralité des structures anatomiques de suspensions du pelvis, leurs propriétés biomécaniques et permettant la simulation d'accouchement eutocique et dystocique.Nous travaillons avec un modèle tridimensionel du pelvis de la femme enceinte créé à partir d'IRM réalisées chez une parturiente volontaire à différents âges gestationnels de la grossesse (16, 32 et 38SA) et en post-partum (2mois, 1an). Chaque organes, muscles et ligaments du pelvis ont été reconstruits numériquement permettant de générer un modèle géométrique complet représentatif du système pelvien. Nous avons effectué une analyse géométrique de ces structures, notamment musculaires et ligamentaires. Par la suite nous avons effectué des simulations numériques par méthode des Eléments Finis (EF), en intégrant notamment les propriétés biomécaniques des tissus et des trajectoires de tête imposées. Ce système permet d'analyser les déformations des structures périnéales lors d'un accouchement normal puis dystocique.L'étude approfondie au cours de la grossesse des ligaments utérosacrés et du muscle releveur de l'anus, met en évidence une modification géométrique de ces structures, jouant un rôle dans la statique pelvienne et ce dès le 2ème trimestre de grossesse. Cette reconstruction numérique en 3D a permis de réaliser un modèle d'enseignement (mannequin simple) et d'entraînement au geste de délivrance artificielle et de révision utérine. Cet outil a été testés auprès de gynécologue-obstétriciens, sages-femmes et internes afin d'élaborer un modèle final dont l'intérêt pédagogique a été validé. Par la suite, nous avons élaboré un modèle de simulation d'accouchement, paramétré, permettant de faire varier différents critères maternels et foetaux comme l'orientation, la taille et la flexion de la tête foetale. Dans un premier temps la simulation d'accouchement physiologique permet l'analyse de l'impact de l'accouchement sur ces mêmes structures pelviennes. Nous avons dans un second temps fait varier différents critères permettant d'aboutir à la dystocie. Nous travaillons également sur le développement de capteurs de pressions et mouvements, intégrés à des cuillères de forceps. Cet outil permet d'effectuer une analyse numérique du geste d'extraction par forceps.Cet outil paramétré de simulation numérique d'accouchement va permettre d'étudier les différents impacts de l'accouchement sur l'équilibre fragile des structures pelviennes. Ainsi il serait possible d'analyser la survenue de complications obstétricales maternelles et foetales. Ainsi il serait possible d'expliquer les lésions périnéales à court, moyen et long terme lié à l'accouchement. Cet outil permettrait également d'enseigner la mécanique et la gestuelle obstétricale parfois complexe. / We aim at developing a complete 3D numerical model of a parturient pelvic system representing all the anatomical structures of the pelvis such as ligament, muscle and organs. Then we generate a parametric FE model that allows simulating normal and dystocic vaginal delivery.We have developed a parturient pelvic numerical model at different gestational ages, 16, 32 and 38 weeks of gestation, (WG) and in postpartum (2months and 1year) from MRI. The different organs, muscles and ligaments of the pelvic system were segmented in order to generate a complete anatomical 3D model. Starting from this numerical model we studied the changes the muscles and ligaments undergo during pregnancy. Then we performed a Finite Element (FE) model that allows simulation and analysis of the deformations of pelvic anatomical structures under the stress induce by normal and dystocic vaginal delivery. In particular, we investigated the influence of the head size, terms and cephalic orientation and flexion. We particularly studied the structures that play an important role in the stability of the pelvic system.ResultsThe analysis during pregnancy of the US ligaments and levator ani muscle (LAM) reveals some geometrical modification, even then at the beginning of the second pregnancy trimester. This 3D anatomical model help to develop a teaching model for manual removing of the placenta, that could be integrated in a simple physic mannequin. The proof of pedagogical interest of this tool was made by different series of tests, underwent by gynaecolog-obstetrician and midwives. Then we worked with FE simulation of the vaginal delivery. The model developed is parametric. Than mean we can then change different maternal and fetal criteria such as gestational age, fetal head size, orientation and flexion. First place we performed normal vaginal delivery to study the impact of the fetal head descent in the pelvic system, and his stress impact on the different anatomical structures. Then we introduce dystocic element. We can evaluate and localize the strain levels and the most injured areas. Posterior cephalic presentation presents higher injury risk than the anterior one. Maternal geometry at different terms brings equivalent results contrary to the fetal head sizes that have an influence on the strain level and the potential damage induced. We developed pressure and trajectories sensors integrated in a forceps. We can then record an ex-vivo forceps extraction and then integrate all the information in the FE model.ConclusionThis multi-parametric investigation allows us to have a customizable and predictive tool evaluating the potential damages on the pelvis during vaginal delivery. We could then explain, understand and maybe predict some maternal and fetal complications that could happen during vaginal delivery. We can in particular try to explain the perinea injuries during, after and long time after vaginal delivery. This tool can be used to teach the complexity of obstetric.

Le système pelvien féminin est un système complexe jouant un rôle primordial dans la miction, la défécation et la reproduction. Il comprend de nombreux organes, muscles et ligaments tous interconnectés. Malheureusement le système pelvien peut subir de nombreuses pathologies l’une d’entre elle étant le prolapsus, ou la descente d’organe, se définissant comme déplacement anormal d’un ou plusieurs organes génitaux. Le prolapsus est une pathologie très répandue au sein de la population féminine. 1 femme sur 3 serait concernée, 1 sur 10 subissant un traitement chirurgical au cours de sa vie. Cette pathologie a d’importantes conséquences sur la qualité de vie des patientes. Son traitement se fait principalement par voie chirurgicale, mais de gros progrès doivent être faits dans ce domaine. En effet, les taux de récidive post-traitement peuvent atteindre des valeurs de 60% dans la littérature.Malgré la nécessité d’une amélioration des techniques chirurgicales celle-ci ne pourra avoir lieu sans une meilleure compréhension du comportement mécanique global de cette région très complexe et encore assez mal connue. Une connaissance approfondie de la mobilité du système pelvien sain par rapport au pathologique permettrait le développement de nouvelles techniques plus à même de soigner efficacement les patientes.Malgré de nombreuses études, un manque de compréhension mécanique est à noter. En effet très peu de données provenant de patientes jeunes et saines sont disponibles. De plus la plupart des tests réalisés sont des tests de tractions uniaxiales, qui sont par essence limités. Un manque cruel de relation entre les modèles phénoménologiques et cliniques est également à regretter.Dans ce travail nous avons donc réalisés des tests uniaxiaux sur différents tissus de cadavres jeunes (<40 ans). Cela nous a permis de prouver l’hyper-élasticité et la grande déformabilité des tissus pelviens jeunes et de mieux comprendre les phénomènes de vieillissement et d’endommagements de ces tissus en les comparants aux nombreuses données de la littérature. Nous avons ainsi pu monter que les ligaments et le vagin subissaient un vieillissement de nature différente à la vessie et au rectum. Ce vieillissement que nous avons nommé « traumatique » entraine un allongement et un raidissement non réversible des tissus à niveau en rien comparable à un vieillissement « naturel ».Notre étude mécanique s’est également élargie en testant les accolements entre organes (vésico-vaginal et recto-vaginal) en les soumettant à une contrainte de cisaillement. Ce genre de tests est, à notre connaissance, une première pour les tissus mous biologiques. Nous avons ainsi pu montrer que le comportement mécanique de ces accolements était linéaire pour les petites déformations et bien que de rigidité faible par rapport aux tissus eux même, tout de même à prendre en compte dans de prochains modèle.Suite à cette étude purement mécanique nous avons tenté de mettre nos modèles phénoménologiques, dur d’accès aux professionnels de la santé, en relation avec des modèles cliniques, histologiques dans ce cas précis. Nous avons donc réalisé un modèle histologiquement fondée du comportement mécanique des tissus pelviens, mettant en relation les taux d’élastine et de collagène d’un tissu à son comportement mécanique. A l’aide de ce modèle, inspiré de la physique des élastomères à plusieurs phases, nous avons pu corréler les taux d’élastine et de collagène d’un tissu à sa rigidité et ainsi rendre plus accessible un modèle complexe.Nous avons ensuite voulu faire le bilan de nos connaissances sur la compréhension des prolapsus et dans quelle mesure notre étude nous a permis de l’approfondir. Nous nous sommes évidemment concentrés sur les modes d’endommagements et leurs conséquences d’un point de vue mécanique et histologique. Dans un but de clarté nous avons traités d’exemples précis afin d’illustrer nos propos, comme le vieillissement, l’accouchement par voie basse ou la cystocèle. / The pelvic floor is a complex anatomical system involved in urination, defecation and reproduction. It is composed of several organs, muscles and ligaments, all interconnected. Unfortunately the pelvic floor can suffer from several pathologies like prolapses. Prolapses are defined as an abnormal displacement of one or more pelvic organs. Prolapses are widespread in the woman population. One woman out of three would be affected, one out of ten undergoing a surgical treatment in her life. This pathology has tremendous consequences on the patient quality of life. Its treatment is mainly surgical, but big improvements are needed. Indeed, the recurrence rate could reach up to 60% in the literature.The improvement of surgical technics will only be possible with a better global mechanical understanding of the pelvic floor. A deep understanding of the healthy pelvic floor mobility compared to the pathological would allow for the development of technics to better treat patients.Even though several studies have been done, a lack of mechanical understanding is to be noted. Indeed very few data coming from healthy young patients are available. Moreover most tests are uniaxial testing, which are by essence quite limited. A lack of relationship between phenomenological and clinical models is also to be noted.Within our study we have then realized uniaxial testing of different tissues from young cadavers (<40 years old). That allowed us to prove the hyper-elasticity and the great deformability of young pelvic tissues. It also helped us to better understand the ageing and damaging processes of those tissues by comparing them to data available in the literature. We could should that the ligaments and the vagina undergo a different ageing process than the rectum and the bladder. That ageing that we defined as “traumatic” induces much stronger non-reversible stretching and stiffening of the tissues than a “natural” ageing.Our mechanical study broadened up by looking at bindings between organs (vesico-vaginal and recto-vaginal). Those bindings have been, for the first time to our knowledge, under shear conditions. We could then show that those binding have a linear mechanical behavior for small displacements and that their stiffness even though limited should be taken into account in numerical models.Following that purely mechanical study we tried to accommodate our models to a public of medical professionals, by linking our phenomenological models to clinical ones, histological in that case. We then realized a histologically based model of the mechanical behavior of pelvic tissues, linking the rate of collagen and elastin of a tissue to its mechanical behavior. Thanks to that model, inspired by the physics of polymers we could correlate the collagen and elastin rates of a tissue to its rigidity and therefore make a complex model more accessible.We then gathered our knowledge on the understanding of prolapses and observed how our study could deepen it. We focused on the ageing and damaging processes and their consequences from a mechanical and histological point of view. To help the understanding we looked at precise examples like ageing, vaginal delivery or cystocele.