Добірка наукової літератури з теми "Modélisation du crâne"

Les accidents de la circulation, fléau de la société, représentent un sérieux problème de santé. En France, 105980 usagers de la route ont été blessés au cours de l'année 2006, et 4942 tués. La tête représente un des segments corporels les plus vulnérables.
Cette thèse est une contribution à l'amélioration de la connaissance du comportement mécanique des os crâniens, en particulier dans le contexte accidentologique.
Les mécanismes de fractures du crâne ont été étudiés par un grand nombre de chercheurs. De multiples techniques et approches ont été élaborées pour la modélisation du comportement mécanique des os crâniens ; ces modèles ne permettent cependant pas de pallier aux problèmes de dispersions inter et intra individuelles propres aux sujets humains.
Dans un premier temps, selon un protocole expérimental, 289 éprouvettes prélevées sur différentes zones osseuses de 17 calottes crâniennes humaines sont testées en essais de flexion trois points quasi-statiques. La force de rupture obtenue à partir des courbes effort/déplacement représente le paramètre mécanique à prédire dans nos modèles statistiques. A partir de mesures morphométriques obtenues par analyse d'images et tests expérimentaux, 15 paramètres morphométriques et densitométriques sont définis pour chaque éprouvette.
Ensuite, une analyse de données exploratoire multidimensionnelle est réalisée sur le tableau de données préalablement fuzzifiées. Cette analyse a permis de nous orienter sur les liaisons linéaires et non linéaires existant entre les paramètres. Des régressions multiples linéaires et curvilinéaires sont réalisées par ajustement des paramètres jugés pertinents. Les modèles sont choisis par la méthode de validation croisée, et par une étude complète de diagnostic des résidus.
L'élaboration de modèles statistiques a permis, selon un sexe et une classe d'âge, de prédire le comportement mécanique de fragments osseux crâniens soumis à des sollicitations de flexion quasi-statique de manière personnalisée.

Ce travail a pour objectif de contribuer au développement du modèle par éléments finis de la tête humaine de l'ULP. Il intègre une étude du comportement viscoélastique linéaire et non linéaire du tissu cérébral dont la connaissance reste actuellement incomplète et contrastée. Les propriétés matérielles en cisaillement du cerveau sont déterminées aux petites déformations sur une gamme de fréquences inédite (de 0. 1 à plus de 6000 Hz) qui inclut les fréquences associées aux chocs automobiles et balistiques non pénétrant. La robustesse du protocole opératoire et la fiabilité des résultats expérimentaux sont confirmées par l'utilisation de deux outils de mesure différents et par l'analyse d'un certain nombre de facteurs pouvant influer sur l'objectivité des mesures. L'étude s'accompagne également d'une analyse de l'anisotropie pour une région particulière du cerveau (la couronne radiaire), et des différences inter-espèces et régionales. Le comportement du cerveau aux grandes déformations est appréhendé au travers d'essais de relaxation effectués sur une plage de déformations allant de 0. 1% à 50%. Il ressort que l'augmentation du niveau de déformation influe sur l'amplitude des modules mesurés mais non sur leurs temps de relaxation. Les résultats aux petites déformations aboutissent à une modélisation phénoménologique du comportement linéaire du cerveau par un modèle de Maxwell généralisé à cinq modes. Le comportement non linéaire est modélisé par une loi hyperélastique de Ogden dans sa phase caoutchoutique puis par une extension proposée de cette loi (loi visco-hyperélastique) qui tient compte des effets dissipatifs observés sur l'intervalle de temps considéré. Une confrontation des lois de comportement linéaire et non linéaire du cerveau est enfin réalisée au cours d'une simulation numérique d'un choc de référence et d'un choc balistique. Il ressort que la mise en évidence de l'apport des différentes lois nécessite d'autres critères de validation des modèles numériques
The aim of this work is to contribute to the development of the ULP human head Finite Element model. This study concerns the linear and nonlinear viscoelastic brain tissue behaviour of which the knowledge remains currently incomplete and contrasted. The small shear strains brain properties are determined on new frequency range (from 0. 1 to more than 6000 Hz) which includes frequencies associated with traffic road accidents and non penetrating ballistic impacts. The robustness of the protocol and the reliability of the experimental results are confirmed by the use of two different testing devices and by the analysis of several factors which could affect measurements objectivity. The study is also accompanied by an analysis of the anisotropy for a particular area of the brain (the corona radiate), and inter-species and regional differences. The large strain brain behaviour is characterized by shear relaxation tests between 0. 1% and 50% strain. The results show the increase of the strain level affect the modulus magnitude but not their relaxation times. The brain linear behaviour is modelled by a phenomenological five-mode Maxwell model. The brain rubberlike behaviour is modelled by an Ogden hyperelastic law. This law is extended to take account of the observed dissipative effects on all time range (visco-hyperelastic law). Finally, a comparison of these brain linear and nonlinear constitutive laws is realised from numerical simulations of a reference and a ballistic impact. The conclusion is that the pertinence of the different laws contribution requires other numerical model validation criteria

Pour comprendre les conditions physiologiques et pathophysiologiques de la circulation du Liquide Cérébro-Spinal (LCS), comme le développement des hydrocéphalies, il faut en connaître les propriétés hydrodynamiques. Du fait de sa localisation dans la cavité crânienne, les techniques d’exploration in vivo sont très invasives. L’utilisation de modèles présente donc un intérêt considérable en fournissant les grandeurs ‘pressions, vitesse) inaccessibles à la mesure, qui définissent les mouvements du LCS. Dans cette étude, nous étudions la dynamique intracrânienne sous l’angle de la mécanique des fluides afin de calculer localement ces grandeurs. Nous utilisons des méthodes de discrétisation pour résoudre numériquement les équations de Navier-Stokes et de continuité : le schéma de Crank-Nicolson pour les termes temporels, l’espace de l’écoulement du LCS est discrétisé par une grille Marker-And-Cell régulière, décalée, un maillage par triangulation représente la membrane interface entre cerveau et LCS, la méthode Immersed Boundaries traduit les interactions entre la membrane et le fluide. Les équations sont résolues itérativement par la méthode de compressibilité artificielle. Afin de rendre le modèle plus réaliste, la géométrie sur laquelle la modélisation est effectuée est obtenue à partir d’un processus de traitement d’images anatomiques d’IRM et les conditions limites de l’écoulement sont extrapolées sur des mesures du débit de LCS dans l’aqueduc de Sylvius par conséquences d’IRM de flux. Dans une première étape, la méthode de résolution est appliquée à des cas tests dont les solutions sont connues. Les sources d’erreurs sont identifiées et, si besoin, une correction est proposée. La simulation est ensuite appliquée sur une géométrie anatomique dont les parois sont rigides, dans un premier temps et déformables, dans un second temps. Les résultats montrent une influence importante de la déformabilité des parois de l’aqueduc sur les grandeurs à l’origine du mouvement.

Les traumatismes subis à la face lors d'accidents sur la voie publique, d'activités sportives ou bien de rixes ne nuisent généralement pas à la sur-vie de l'individu mais peuvent requérir des soins coûteux et laisser des séquelles esthétiques importantes. Par ailleurs, la face joue un rôle protecteur du contenu intracrânien et sa réponse au choc conditionne les sollicitations appliquées à celui-ci.
En vue de prédire précisément les risques de blessures de la face et du contenu intracrânien, l'objectif de cette thèse est de développer un modèle en éléments finis de la structure osseuse de la face et du crâne pour la simulation de sa réponse au choc.
Une première partie du travail a consisté à construire le maillage d'une structure osseuse cranio-faciale à partir de coupes scanner de tête. Le choix d'un maillage en éléments de type plaque, de densité suffisante pour représenter fidèlement la géométrie complexe de cette structure osseuse et d'épaisseur variable, a été fait.
L'hypothèse d'un matériau osseux homogène et isotrope a été choisie pour l'ensemble de la structure cranio-faciale. Des essais de flexion statique sur des échantillons d'os crânien, associés à leur simulation numé-rique et une méthode d'identification, ont permis de définir les propriétés élasto-plastiques de ce matériau. Les résultats se situent correctement par rapport aux intervalles de valeurs de la littérature.
La réponse du modèle cranio-facial a été validée sous sollicita-tions statiques. Pour cela des essais spécifiques de compression de la face ont été réalisés sur pièce anatomique. Les courbes globales effort - déplacement expérimentale et numérique ont été comparées pour « calibrer » les propriétés du matériau. La réponse du modèle a ensuite été validée par comparaison du champ de déplacement mesuré expérimentalement par une méthode de corrélation d'images et obtenu par simulation.
Le modèle ainsi validé en statique a été évalué sous sollicitations dynamiques. Sa réponse au choc a été comparée aux résultats d'un impact sur la face réalisé spécifiquement. La réponse au choc globale du modèle est similaire à celle enregistrée expérimentalement.
Plusieurs perspectives d'exploitation de ce modèle sont envisa-geables dans le domaine du choc ou celui de la chirurgie. En particulier, il aidera à définir des critères de blessures de la tête en cas de choc sur la face.

Dans le cadre du développement accru d’implants crâniens actifs, l’étude de la résistance du complexe crâne-implant face à des chocs modérés est nécessaire afin d’assurer la sécurité du patient. Le but de cette thèse est de quantifier l’interaction mécanique entre le crâne et l’implant afin de développer un modèle éléments finis prédictif utilisable pour la conception des futurs dispositifs. Dans un premier temps, des essais matériaux sur titane et silicone ont permis d’extraire les paramètres élastiques, plastiques et de viscosité de leurs lois de comportement. Ces paramètres ont ensuite été implémentés dans un modèle éléments finis de l’implant sous sollicitations dynamiques, validé par des essais de choc de 2,5 J. L’implant dissipe une partie de l’énergie du choc et le modèle obtenu permet d’optimiser la conception de l’implant afin qu’il reste fonctionnel et étanche après l’impact. La troisième partie porte sur l’élaboration d’un modèle éléments finis du complexe crâne-implant sous sollicitations dynamiques. Des essais sur têtes cadavériques ovines ont permis d’optimiser les paramètres d’endommagement du crâne. Le modèle complet du complexe crâne-implant, corrélé à des essais de choc, apporte des éléments de réponses sur le comportement du crâne implanté face un choc mécanique, permettant ainsi d’optimiser la conception de l’implant afin de garantir l’intégrité du crâne.Ce modèle représente un premier outil pour l’analyse de l’interaction mécanique entre crâne et implant actif, et permet de dimensionner ce dernier de sorte à garantir son fonctionnement et son étanchéité, tout en assurant l’intégrité du crâne
Active cranial implants are more and more developed to cure neurological diseases. In this context it is necessary to evaluate the mechanical resistance of the skull-implant complex under impact conditions as to ensure the patient’s security. The aim of this study is to quantify the mechanical interactions between the skull and the implant as to develop a finite element model for predictive purpose and for use in cranial implant design methodologies for future implants. First, material tests were necessary to identify the material law parameters of titanium and silicone. They were then used in a finite element model of the implant under dynamic loading, validated against 2.5 J-impact tests. The implant dissipates part of the impact energy and the model enables to optimize the design of implants for it to keep functional and hermetic after the impact. In the third part, a finite element model of the skull-implant complex is developed under dynamic loading. Impact tests on ovine cadaver heads are performed for model validation by enhancing the damage parameters of the three-layered skull and give insight into the behavior of the implanted skull under impact.This model is a primary tool for analyzing the mechanical interaction between the skull and an active implant and enables for an optimized design for functional and hermetic implants, while keeping the skull safe

Les traumatismes crâniens demeurent une cause de mortalité importante et entraînent des incapacités graves. La modélisation numérique est un outil communément admis pour étudier la biomécanique des chocs crâniens. Le premier objectif de ce travail a été l'optimisation d'un MEF du casque moto vis à vis de critères biomécaniques en se basant sur le comportement dynamique de ses composants. Après une validation du MEF du casque de motocycliste couplé à une fausse tête comme stipulé par les normes, celui-ci a été couplé à un MEF de la tête anatomique disponible, dans le but d'estimer différents paramètres intra-crâniens. L' analyse de la réponse de la tête biologique couplée au casque de référence suivant les quatre configurations d'impact imposées par la norme ECER022 a été menée. Ces sollicitations intracérébrales présentent des valeurs bien supérieures aux limites de tolérance surtout en ce qui concerne les contraintes de cisaillement intracérébrales. A la suite de ce constat, une étude paramétrique et portant sur quatre paramètres mécaniques du casque de protection, a été réalisée permettant de corréler ces différents paramètres mécaniques aux sollicitations intracrâniennes calculées, proposant ainsi une optimisation du casque. Le second objectif de ce travail était d'améliorer un certain nombre d'aspects géométriques et mécaniques de ce segment complexe. Le crâne a été revisité d'un point de vue géométrique afin de simuler des fractures dépressives et linéaires. Concernant le cerveau, un effort a été entrepris quant à ses propriétés mécaniques en se basant sur des essais expérimentaux originaux. Ce travail propose une modélisation plus fine de la boîte crânienne et une validation de son comportement faisant intervenir la variation d'épaisseur de l'os ainsi que les piliers et poutres de renforcement. Nous avons également procédé à une validation originale des propriétés mécaniques linéaires et non linéaires de la matière cérébrale en terme de déformation
Traumatic head injuries remain a common cause of death and severe disabilities around the world. FE modelling of the head is a well accepted tool to study head impact biomechanics. The first goal of this work was to optimise a full face helmet finite element model based on the dynamic behaviour of its components against biomechanical criteria. After a validation with a headform FE model as used in the experimental normative tests, the helmet model was coupled with a previously developed finite element model of the human head in order to predict intra-cranial field parameters. Four impacts on a flat anvil has been simulated with the same boundary conditions as for the normative test (ECER022) with standard helmet mechanical properties. The estimated intra-cranial stresses suggested that some brain tolerance limits were reached in these impacts configurations. In order to define the influence of the helmet shell and foam properties on the human head, a parametric study of the model was undertaken and all results were analyse with a PCA method to propose an helmet optimisation against biomechanical criteria. The second goal of this work was to improve a number of geometrical aspects and material constitutive laws of this complex human segment. The skull representation is improved at the geometrical point of view in order to simulate skull depressive and linear fractures. At the other hand brain constitutive law improvement is based on original experimental tests focusing on non linear behaviour in order to investigate the brain material properties influence in the head model validation procedure against existing experimental brain deformation recording. Main result is a detailed skull geometry including skull reinforced beams and thickness variation validated against existing head impacts involving skull fracture as well as a linear and a non-linear brain constitutive law which permit an accurate validation against brain deformation under impact

La thérapie par ultrasons de pathologies cérébrales est très prometteuse, notamment pour son caractère non invasif lorsque la sonde ultrasonore reste externe au crâne. Cependant, la structure complexe de l'os du crâne atténue et perturbe fortement la propagation du faisceau ultrasonore, ce qui altère les dimensions, la position et l'intensité de la tâche focale. Or ces paramètres focaux doivent être parfaitement maitrisés pour assurer à la fois l'efficacité et la sureté du traitement. En raison de la grande variabilité inter et intra individus de la géométrie et des propriétés acoustiques du crâne, des simulations personnalisées sont nécessaires pour prédire les caractéristiques focales en fonction du patient et de la position de la sonde ultrasonore. La plupart des méthodes de simulations utilisées actuellement, telles que k-Wave, sont très gourmandes en temps de calcul et en espace mémoire, ce qui les limite à des outils de planning pré-intervention. L'objectif de cette thèse était de développer une méthode semi-analytique rapide et réaliste de calcul de champ ultrasonore au travers du crâne. Dans un premier temps, un modèle lisse et homogène du crâne, réaliste et favorable aux algorithmes de calcul de champ rapides, a été développé. Pour cela, les surfaces internes et externes du crâne ont été modélisées en utilisant une méthode appelée « Multi-level Bspline Approximation », et une méthode d'homogénéisation des propriétés acoustiques du crâne a été développée et validée numériquement. Ce modèle de crâne lisse et homogène a ensuite été utilisé en entrée de l'algorithme de calcul de champ développé. Cet algorithme, nommé SplineBeam, est basé sur une méthode de calcul des trajets ultrasonores par minimisation de la fonction temps de vol, qui est rapide et précise, et qui, combinée à la méthode des pinceaux, permet un échantillonnage régulier de la sonde ultrasonore. SplineBeam a été validé numériquement, par comparaison avec le modèle pinceau, implémenté dans la plateforme de simulation CIVA HealthCare, développée au CEA, et avec d'autres solvers numériques (dont k-Wave) sur une série de configurations, et expérimentalement, par comparaisons avec des champs de pressions acquis par hydrophone au travers d'un échantillon de crâne ex vivo. Les champs simulés avec SplineBeam se sont avérés être plus proches des champs mesurés expérimentalement que les champs simulés avec k-Wave, ce qui valide à la fois le modèle du crâne et la méthode de calcul de champ. De plus, SplineBeam peut restreindre son calcul à la tâche focale, ce qui, pour une grande sonde, lui permet de réduire drastiquement le nombre de points de calcul et d'avoir des temps de calcul de deux ordres inférieurs à ceux de k-Wave
Ultrasound brain therapy is a promising method, as it is non-invasive when ultrasonic waves are sent through the skull. However, the skull bone complex structure strongly attenuates and aberrates the ultrasound beam, altering the dimensions, position and intensity of the focal spot. These focal parameters must be perfectly controlled to ensure both treatment efficacy and safety. Due to the high inter/intra-individual variability of skull geometry and acoustic properties, personalized simulations are required to predict focal characteristics depending on the patient skull and the ultrasonic probe position. Most simulation methods currently in use, such as k-Wave, are very time- and memory-intensive, limiting them to pre-intervention planning tools. The aim of this thesis was to develop a fast and realistic semi-analytical method for ultrasound field computation through the skull. As a first step, we developed a smooth and homogeneous model of the skull, realistic and suited to fast field computation algorithms. To this end, we modeled the skull inner and outer surfaces using a method called "Multi-level Bspline Approximation", and we developed a skull acoustic property homogenization method, which was numerically validated. This smooth and homogeneous skull model was then used as input to the field computation algorithm developed. This algorithm, named SplineBeam, is based on an ultrasonic path computation method that minimizes the time-of-flight function, which is fast and accurate, and which, combined with the pencil method, enables a regular sampling of the ultrasound probe. SplineBeam was validated numerically, by comparison with the pencil method, embedded in the CIVA HealthCare simulation platform, developed at the CEA, and with other numerical solvers (including k-Wave) on a series of configurations, and experimentally, by comparison with hydrophone measured pressure fields through an ex vivo skull sample. SplineBeam simulated fields were found to be closer to the experimentally measured ones than those simulated with k-Wave. This validates both the skull model and the field computation method. Furthermore, SplineBeam can restrict its computation to the focal spot, which allows it to drastically reduce the number of computation points, making it faster than k-Wave by two orders of magnitude, for a large probe

La biomécanique des chocs vise à étudier les lésions, établir des limites de tolérance et de proposer des mesures de protections adéquates. La méthode des éléments-finis permet l’étude approfondie des mécanismes de lésions, évitant des problèmes liés à l’expérimentation et d’éthique. La biomécanique de la tête humaine chez l’adulte a pris ce virage très tôt, et des modèles de la tête de l’adulte existent, dont celui développé à l’Université de Strasbourg : le SUFEHM (Strasbourg University Finite Element Head Model). Le présent projet a pour but d’ouvrir cette thématique à la modélisation des traumatismes crâniens du nourrisson. Deux axes de travail ont été conduits successivement pour étudier des situations d’accidents et de maltraitances. Le premier axe consiste à développer un modèle de l’œil du nourrisson pour l’étude des hémorragies rétiniennes. Le deuxième consiste à améliorer le modèle de tête en intégrant d’une part les données de l’imagerie médicale comme l’orientation et la densité des fibres axonales, et d’autre part en validant la formulation du crâne pour prédire les fractures crâniennes
Impact biomechanics aim at studying injuries, establishing tolerance limit and propose efficient protective systems. The finite-element method permits to study precisely injury mechanisms by avoiding questions linked to experimentation and ethics. For the human adult head biomechanics, this methodology was taken earlier and several stable and validated models exist worldwide, among which one can find the Strasbourg University Finite Element Head Model (SUFEHM). This thesis aims at widening the human head biomechanics by studying infant head trauma. The research work has been conducted in two steps. In the first one, an infant eye numerical model was developed in order to study retinal hemorrhages. The second one consisted in improving the infant head model by integrating medical images data such as axonal fiber density and orientations into the infant brain and by validating the mechanical formulation of the infant skull in order to predict skull fractures