Improper socket fitting in lower-limb prostheses can lead to significant complications, including pain, skin lesions, and pressure ulcers. Current suspension and socket design practices rely predominantly on visual inspection of the residual limb and patient feedback. Monitoring stress distribution at the residual limb/socket interface offers a more objective approach. Finite Element Analysis (FEA) enables to estimate interface pressure distribution prior to manufacture to provide the orthoprosthetist with quantitative data during socket rectification and interface prosthetic components selection. However, although numerous FEA models are available, few have undergone rigorous validation against experimental pressure data. Indeed, limitations of commercial pressure sensors typically include cumbersomeness or imprecision, thereby hindering systematic measurements within the socket. In this study, we introduce a low-cost, accurate pressure sensing system integrated into 3D-printed sockets for FEA validation. The system is implemented on a roll-over simulator that uses a mock limb to mimic the interaction between a transtibial residual limb and socket during the unipodal stance phase. A FEA of the simulator was then conducted, and predicted interface pressures were compared to experimental measurements at seven discrete locations. The model demonstrated a high degree of sensitivity to the geometry of the mock limb; however, with an accurate shape description, it was able to predict pressure with an average absolute error of 12 kPa. This work advances the validation of residual limb FEA for estimating residual limb/socket interface pressures. It highlights the potential of FEA for designing data-driven sockets and ultimately improve the comfort of prosthesis users.

Pour les utilisateurs de prothèse de membre inférieur, l’emboîture prothétique, qui fait le lien entre la prothèse et le membre résiduel, est une interface critique. Elle doit assurer un contrôle efficace de la prothèse, sans être inconfortable, car un mauvais ajustement peut entraîner des douleurs, des irritations, voire des escarres. Elle est conventionnellement conçue à partir d’un moulage en plâtre du membre résiduel, selon un processus chronophage et quasi-artisanal, qui nécessite une grande expertise. En effet, une rectification minime de la paroi peut avoir un impact majeur sur le ressenti et la mobilité de l’utilisateur.Pour accélérer ce processus et améliorer sa répétabilité, une alternative numérique se démocratise peu à peu. L’emboîture peut désormais être conçue à partir d’un scan 3D du membre résiduel, avec des outils de Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur (CFAO). Cette évolution ouvre la voie à l’intégration d’outils quantitatifs dans le processus de rectification pour guider le prothésiste. Le projet ANR IMPRINT, dans lequel s’inscrit cette thèse, propose d’intégrer un modèle biomécanique du couple membre résiduel/emboîture, permettant d’estimer des indicateurs quantitatifs de l’ajustement de l’emboîture en amont de sa fabrication.La première partie de ce manuscrit présente un état de l’art des solutions pour optimiser la conception de l’emboîture. La distribution de pression à l’interface avec le membre résiduel a été identifiée comme un indicateur mécanique de l’ajustement de l’emboîture. De nombreux modèles, reposant sur la méthode des Éléments Finis (EF), ont donc été introduits pour estimer ce paramètre. Cependant, la majorité de ces modèles n’ont été implémentés que sur un seul sujet et n’ont pas été validés expérimentalement, ce qui constitue un frein majeur à leur transfert en pratique clinique.Ce travail de thèse visait donc à développer et évaluer un modèle EF personnalisé pour estimer la pression à l’interface, en vue de son intégration dans un logiciel de CFAO.L’absence de validation des modèles EF s’explique en partie par les limites des systèmes de mesure de pression disponibles en termes de précision et de praticité. Le second chapitre présente donc le développement d’une solution précise, robuste et abordable, reposant sur l’impression 3D et des capteurs de force, pour mesurer la pression à l’interface.La troisième partie présente le développement d’un modèle EF personnalisé de l’ensemble membre résiduel/emboîture pour estimer la pression à l’interface, et son évaluation sur 6 personnes amputées transtibiales à l’aide du système de mesure susmentionné. Il s’agit de la première étude de la littérature à évaluer un modèle EF de ce type sur une telle cohorte. Les résultats soulignent l’impact des caractéristiques individuelles sur la précision du modèle, et l’importance de l’évaluation sur plus de sujets. Une étude de sensibilité a été menée dans le double objectif d’améliorer la précision du modèle, et de le simplifier en vue d’un transfert clinique. Deux paramètres critiques ont été identifiés - la géométrie externe du membre résiduel, et la compressibilité des tissus mous - ouvrant deux axes de recherche.Enfin, la dernière partie aborde deux verrous au transfert clinique d’un tel outil. Une première section explore l’utilisation d’un modèle statistique pour estimer la géométrie interne du membre résiduel sans avoir recours à des systèmes d’imagerie médicale peu accessibles. La seconde propose une méthodologie semi-automatique de rectification de l’emboîture basée sur le modèle EF pour aider à l’interprétation des données de pression.Finalement, ces travaux démontrent la faisabilité d’une rectification de l’emboîture guidée par un modèle EF personnalisé, et constituent une première étape vers le développement d’outils biomécaniques destinés aux prothésistes pour optimiser et accélérer la conception des emboîtures.