Дисертації 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

Les orthèses cognitives peuvent améliorer l'autonomie des traumatisés craniocérébraux (TCC) sévères, tout en intégrant en continu le processus de réadaptation cognitive aux AIVQ au sein de leur domicile. Dans une démarche de conception participative interdisciplinaire, nos travaux ont permis de passer de la pratique des ergothérapeutes à la spécification formelle de plans d'intervention et à l'implémentation de cette pratique dans des orthèses cognitives. Dans cette thèse, une approche reposant sur les personae illustre d'abord les dysfonctionnements chez les TCC, leurs besoins d'assistance, ainsi que les besoins de leurs aidants. Ensuite, deux modèles sont élaborés. Le premier « Gestion dynamique de la réadaptation cognitive » s'intéresse en particulier au choix, à l'adaptation et à l'application d'interventions cognitives fondées sur les données probantes. Le second modèle « Assistance préventive » permet, en situation de danger potentiel, d'assister un TCC de manière progressive et adaptée pour écarter ce danger. Ces modèles sont utilisés de deux manières. D'une part, leur implémentation sous forme d'ontologie OWL illustre comment l'assistance peut être rendue sensible au contexte, dynamique et personnalisée. D'autre part, ils guident la conception et l'implémentation de COOK, une orthèse cognitive pour la préparation de repas, et d'un système de sécurité autonome (SSA) dédié à la prévention et à la sécurité des TCC lors de la préparation de repas. Finalement, une architecture logicielle pour la construction d'orthèses cognitives et dérivée.COOK et SSA ont été déployés au sein d'une résidence pour TCC. Trois résidents peuvent maintenant cuisiner de manière autonome
Severe traumatic Brain Injury (TBI) is considered a public health problem. ; Indeed, severe TBI causes significant cognitive, emotional and behavioral repercussions that impact the lives of these individuals, particularly their independence in Instrumental Activities of Daily Living (IADLs). Individuals who have experienced severe TBI frequently return to live in their homes despite the severe difficulties associated with their condition, though the need for assistance to perform IADLs frequently persists. The objective of this thesis is to design, represent, formalize and implement a context-aware and adaptive structure of cognitive assistance. This assistance is created according to the general needs of individuals with severe TBI for IADL performance. The proposed assistance will promote their independence to perform IADL in a home environment. The design of this cognitive assistance technology involves an interdisciplinary collaboration between occupational therapy and computer science, to evolve from the assistance provided by the clinicians to a formal computer science formulation and implementation. This design is based on a participative design approach that mainly involves TBI residents of a smart alternative housing unit.A prototype of a cognitive orthotic for meal preparation (COOK) was created and deployed within an alternative housing unit. Implementation of this cognitive orthotic lifted the prohibition on use of a stove for meal preparation that had previously been place on their residents. By allowing these residents to cook independently, COOK has contributed to helping them become more independent in cooking and more confident in their ability to do so

Bien qu'il s'agisse d'un traumatisme crânien léger, la commotion cérébrale entraîne de graves conséquences à long terme et peut nuire à la vie d'une personne, à sa famille et à la société. La commotion cérébrale est une perturbation neurologique causée par une impulsion mécanique directe ou indirecte à la tête. Ces troubles neurologiques entraînent des dysfonctionnements du cerveau. Comme les lésions axonales diffuses (DAI) sont l'une des caractéristiques pathologiques les plus fréquentes des lésions cérébrales traumatiques, la connaissance du seuil mécanique de la commotion cérébrale en termes d'allongement axonal peut aider à développer de meilleurs outils de prédiction des lésions cérébrales et à optimiser les systèmes de protection des têtes. Les modèles numériques se sont avérés être des moyens efficaces pour de telles études. Comparés à l'expérimentation, les modèles numériques sont plus précis, plus économiques et plus faciles à utiliser. De plus, ils n'impliquent pas de préoccupations éthiques qui sont toujours présentes en cas d'expérimentation sur des sujets biologiques. Néanmoins, les données expérimentales sont essentielles à la validation d'un modèle informatique. L'impossibilité d'expérimenter sur le cerveau humain restreint l'étude détaillée sur les commotions cérébrales. Cependant, les petits animaux, comme le rat, semblent être un substitut intéressante pour de telles recherches. La littérature confirme qu’un cerveau de rat adulte peut être considéré comme neurologiquement équivalent à un cerveau humain adulte et que, au niveau tissulaire, les cerveaux interespèces réagissent de la même façon, ce qui a conduit à de nombreuses recherches effectuées au moyen du modèle du cerveau du rat. Ainsi, dans le cadre de cette thèse de doctorat, un modèle cérébral anisotrope visqueux hyperélastique à éléments finis du rat a été développé, validé vis à vis d’expériences rapportées dans la littérature puis utilisé pour l'étude du seuil mécanique à la commotion en termes d'allongement axonal basé sur les simulations de traumatismes crâniens expérimentaux. Ce travail de doctorat contribue à la recherche sur le développement d’outils de prédiction des lésions cérébrales et à l'optimisation des systèmes de protection de la tête
Concussion, in spite of being a mild traumatic brain injury, involves serious long term consequences and can adversely affect the life of an individual, their family and the society. Concussion is a neurological disturbance caused by a direct or indirect impulsive mechanical loading of the head. These neurological disturbances result in functional impairments of the brain. As diffuse axonal injury (DAI) is found to be one of the most frequent pathological features of traumatic brain injury, knowledge of mechanical threshold to concussion in terms of axonal elongation can help in developing better brain injury prediction tools and in optimizing head protection systems. Computational models have proved to be efficient means for such studies. In comparison to experimentation, computational models are more accurate, economic and easier to use. Further, they do not involve any ethical concerns that are always present in case of experimentation on biological subjects. Still, experimental data is essential for the validation of a computational model. Unfeasibility of experimentation on human brain restricts the detailed investigation on concussion. However, small animals, such as rat, seem to be an interesting opportunity for such investigations. The literary observations that an adult rat brain can be considered neurologically equivalent to an adult human brain and that at tissue level inter species brains respond similarly further support the significance of investigations through rat brain model. Hence, as a part of this doctoral thesis work, an anisotropic viscous hyperelastic finite element rat brain model is developed, validated and utilized for the investigation of mechanical threshold to concussion in terms of axonal elongation. This doctoral work contributes to the research on the development of better brain injury prediction tools and the optimization of head protection systems

Les traumatismes crâniens demeurent une cause de mortalité importante et entraînent des incapacités graves. La modélisation numérique est un outil moderne pour étudier la biomécanique des chocs crâniens. L’objectif principal de cette thèse a été l’évaluation biomécanique d’un casque de cycliste issu du commerce. Des tests de caractérisation ainsi que des campagnes de chocs normatifs et tangentiels ont permis le développement d’un modèle éléments-finis du casque et sa validation. Afin d’estimer le risque lésionnel encouru lors de chocs réalistes, le modèle de casque a été couplé à un modèle de tête anatomique et différents paramètres intracrâniens ont été calculés. Les valeurs obtenues pour ces paramètres se sont révélées supérieures aux limites de tolérance. Fort de ces constats, une réflexion en profondeur sur la norme EN1078 actuelle a été menée et pour laquelle des modifications ont été proposées afin que le casque protège la tête de façon optimale vis-à-vis de critères biomécaniques
Traumatic head injuries remain a common cause of death and severe disabilities worldwide. FE modeling of the head is a well accepted tool to study head impact biomechanics. The objective of this PhD thesis was to evaluate the head protection capability offered by a commercial bicycle helmet. Experimental characterization tests, standard and tangential impacts were performed to develop and validate the finite element helmet model. In order to estimate the injury risk sustained in case of realistic head impacts, the helmet model has been coupled to an anatomical head and intracranial parameters were computed. Calculated values were higher than published tolerance limits. An in-deep investigation of the current EN1078 European standard was then carried out and relevant modifications were proposed to assess and optimize bicycle helmets against biomechanical criteria

Dans les accidents de la circulation, les blessures de la tête sont réputées fréquentes et graves. En raison des diverses formes de la lésion (osseuse, vasculaire ou neurologique) et des limitations des connaissances biomécaniques de la tête, de vieux et simples critères de protection (comme le hic ou le pic d'accélération linéaire de la tête) sont encore utilises dans les tests normalises. Contrairement aux autres segments corporels, il n'est pas possible d'utiliser une méthode directe (consistant à réaliser des impacts sur des modèles biologiques du corps humain) pour déterminer la tolérance et le seuil de blessure. Afin de s'affranchir de ces contraintes, une méthodologie de recherche originale qui repose sur la reconstruction d'accidents de la circulation est développée. Les premiers travaux ont porté sur la définition d'un nouveau modèle de tête défini par la méthode des éléments finis. Les particularités de ce modèle concernent le liquide céphalo-rachidien décrit par un comportement hyperélastique et la définition d'une interface de glissement entre ce dernier et l'encéphale pour reproduire le mouvement relatif encéphale/crane. La confrontation de simulations représentatives d'essais expérimentaux menés sur têtes de sujets cadavériques atteste la représentativité du modèle. Une méthodologie de reconstruction d'accidents a été développée. Elle s'articule autour d'une reconstruction cinématique de l'accident, d'une reconstitution de la collision, d'une simulation de la seconde collision et d'une analyse du comportement intracrânien à l'aide du modèle de tête. Cette démarche de reconstruction est illustrée par un cas réel d'accident automobile. Le développement d'un modèle générique pour des applications d'accidents de motocyclettes est étudié. A partir des résultats de la reconstruction de l'accident automobile, un parallèle entre la contusion intracérébrale et la durée d'application d'un certain niveau de contraintes de von Mises est émis
In traffic accidents, head injuries are considered to be frequent and serious. Because of the various kind of injuries (bone, vascular and neurology) and limitations of the biomechanical representation of the head, old and simple protection criteria (such as the HIC or the peak linear acceleration of the head ) are still used in standard tests. Contrary to the others body segments, it’s not possible to use a direct approach (consisting in impacting biological human body models) to determine the tolerance and the threshold. In order to better represent the physical phenomena, an original research methodology that is based on traffic accidents reconstruction is developed. The first batch of works deals with the definition of a new finite element model of the head. The features concern the cerebro-spinal fluid described by an hyperelastic material defined by a sliding without separation interface with the brain in order to represent its relative movement with respect to the skull. The confrontations with experimental tests made on cadaver’s head confirm the model prediction. An accident reconstruction methodology has been developed. It is based on kinematics reconstruction, experimental reconstruction of the vehicle’s collision, multibody simulation of the second collision and study of the internal head response with the head model. This reconstruction approach is then validated on a real automotive accident. Furthermore, the development of a generic model applied to motorcycle accidents is also analysed. From the results of the automotive accident reconstruction, the intercerebral contusion observed has been bridged to a particular time duration of a certain level of von Mises stresses

Les études, menées en collaboration entre la société VALEOL et le laboratoire IMS, proposent des solutions pour optimiser la production et le fonctionnement d'une éolienne. Il s’agit de travailler sur les lois de commande du système ou des sous-systèmes en utilisant la commande CRONE, répondant à un besoin de robustesse. Chaque étude met en avant des aspects de modélisation, d’identification et de synthèse de lois de commande avant mises en application au travers de simulations ou d’essais sur modèles réduits et taille réelle.Le chapitre 1 donne une vision d’ensemble des problématiques traitées dans ce manuscrit, à l’aide d’états de l’art et de remise dans le contexte économique et industriel de 2013.Le chapitre 2 introduit la commande CRONE pour la synthèse de régulateurs robustes. Cette méthodologie est utilisée pour réaliser l’asservissement de la vitesse de rotation d’une éolienne à vitesse variable, présentant une architecture innovante avec un variateur de vitesse mécanique et génératrice synchrone.Le chapitre 3 établit la comparaison de trois nouveaux critères d’optimisation pour la méthodologie CRONE. Le but est de réduire sa complexité et de faciliter sa manipulation par tout utilisateur. Les résultats sur les différents critères sont obtenus par simulations sur un exemple académique, puis sur un modèle d’éolienne de type MADA.Le chapitre 4 porte sur la réduction des charges structurelles transmises par le vent à l’éolienne. Il est question d’une amélioration du contrôle de l’angle de pitch par action indépendante sur chaque pale en fonction de la position du rotor ou encore des perturbations liées au ventLe chapitre 5 est consacré à la conception d’un système d’antigivrage et dégivrage d’une pale dans le cadre d’un projet Aquitain. Après modélisation et identification du procédé, la commande CRONE est utilisée pour réguler la température d’une peinture polymère chauffante sous alimentation électrique disposée sur les pales. L’étude est complétée par la mise en place d’un observateur pour la détection de présence de givre
The research studies, in collaboration with VALEOL and IMS laboratory, propose several solutions to optimize the production and the efficiency of a wind turbine. The general theme of the work is based on control laws of the system or subsystems using the CRONE robust design. Each part highlights aspects of modeling, system identification and design before simulations or tests of scale and full size models. Chapter 1 provides an overview of the issues discussed in this manuscript, using states of the art and precisions on the industrial and economic context of 2013.Chapter 2 introduces the CRONE command for robust design. It is used to achieve the control of the rotation speed of a variable speed wind turbine, with an innovative architecture - mechanical variable speed solution and synchronous generator.Chapter 3 makes a comparison of three new optimization criteria for CRONE design. The aim is to reduce the methodology complexity and to facilitate handling by any user. The results are obtained through simulations on an academic example, then with a DFIG wind turbine model. Chapter 4 focuses on the reduction of structural loads transmitted by the wind on the turbine. It is about better control of the pitch angle by individual pitch control, depending on the rotor position or wind disturbances.Chapter 5 deals with the design of an anti-icing/de-icing system for blades. After the modeling and identification steps, the CRONE design is used to control the temperature of a heating coating disposed on the blades. An observer is finally designed to detect the presence of ice

Le travail de cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement de la méthodologie CRONE (Commande Robuste d'Ordre Non Entier) multivariable. Il porte plus précisément sur la simplification de sa mise en oeuvre pour la synthèse de régulateurs multivariables robustes, avec une application au contrôle de bancs d'essais moteur haute dynamique, notamment ceux développés par l'entreprise D2T. Le premier chapitre présente les différents types de bancs d'essais, leur fonctionnement et leur problématique. Le deuxième chapitre présente tout d'abord une modélisation physique simple des bancs d'essais qui en permet ensuite leur simulation, puis est dédié à leur identification fréquentielle avec une application à un banc d'essais équipé d'un moteur Diesel. Le troisième chapitre présente la méthodologie CRONE multivariable et différents développements permettant d'en simplifier la mise en oeuvre notamment grâce à l'optimisation d'un nouveau paramètre. Illustrant ces développements, la boite à outils CRONE multivariable qui a été développée est alors utilisée pour la synthèse de la loi de commande d'une maquette de banc d'essais constituée de deux moteurs asynchrones. Finalement, le quatrième chapitre est dédié à la validation des développements présentés par leur application à un banc d'essais haute dynamique équipé d'un moteur Essence. Ce chapitre présente également les différents outils logiciel développés pour faciliter l'intégration de la méthodologie CRONE full MIMO aux produits D2T
The work presented in this Thesis is part of the CRONE (robust control with fractional integration order) multivariable methodology development. It deals with the simplification of the robust multivariable control system implementation with application to the control of high dynamic engine test-benches, including those developed by the D2T company. The first chapter introduces different kind of test-benches and gives a general idea about how those systems work while explaining their problems. While the first part of chapter II presents a simple method for test-benches modeling which then allows their simulation, the second part is dedicated to their frequency-domain system identification. The defined identification procedure is applied to a test-bench equipped with a Diesel engine. The third chapter presents the CRONE multivariable methodology and different developments to simplify its use. Reflecting these developments, the developed CRONE multivariable toolbox is used to design a control system for a test-bench consists of two asynchronous motors. The fourth chapter is dedicated to validate the presented work by applying these developments to a high dynamic test-bench with a spark ignition engine. This chapter presents the various software tools developed to simplify the implementation to D2T products of the CRONE full MIMO methodology

Cette thèse traite de la synthèse et de la réalisation d’un intégrateur d’ordre non entier borné en fréquence. La réalisation est faite par un réseau constitué d’un faible nombre de cellules capacitives et dissipatives. La première partie de ce mémoire s’attache à développer des méthodes permettant de déterminer les paramètres physiques des éléments du réseau à partir des quatre paramètres de haut niveau qui caractérisent l’intégrateur d’ordre non entier à réaliser. Les spécificités liées à une réalisation en technologie hydropneumatique sont détaillées. Il est montré, dans un contexte d’isolation vibratoire, qu’elles conduisent à des performances remarquables de robustesse du degré de stabilité et de robustesse de la rapidité vis-à-vis des variations de la masse suspendue, et ce, malgré l’existence de non-linéarités. Les non-linéarités sont étudiées à l’aide des séries de Volterra. La seconde partie est consacrée à l’application au secteur de l’automobile des résultats de la première partie. La synthèse et la réalisation d’une suspension CRONE hydractive, suspension multi-états dont le mode souple assure la robustesse du degré de stabilité de la caisse vis-à-vis des variations de la masse suspendue, sont proposées et validées en simulation sur un modèle de véhicule à 14 degrés de liberté
The thesis deals with the synthesis and the realisation of a band limited fractional differentiator. The realisation is made thanks to a small number of resistive and capacitive cells (RC cells). The first part of this thesis is about some new methods to compute the physical parameters of the RC cells from the 4 high-level parameters of the band limited fractional differentiator. The specificities of a realisation using hydropneumatic technology are detailed. It is shown that, in vibration isolation, they lead to remarkable performances. The stability degree robustness and the rapidity robustness towards the variation of the sprung mass value are obtained in spite of non- linearities. Volterra serie expansion is used to study the non-linearities. The second part is about the application of the previous results to the automotive field. The design and the realisation of an hydractive CRONE suspension is proposed. An hydractive CRONE suspension is a suspension with several operating modes and which allows to obtain the stability degree robustness. The hydractive CRONE suspension is then test with a 14 degrees of freedom model of a car

Un modèle fréquentiel non linéaire, précis et compact du générateur synchrone a été présenté dans cette thèse. Contrairement aux modèles classiques comportant plusieurs cellules R-L, il intègre des impédances d'ordre un demi qui permettent de bien caractériser les phénomènes d'induction électromagnétique sur la grande plage de fréquences, tout en réduisant l'ordre et le nombre des paramètres du modèle. Le modèle proposé tient compte de l'effet de peau dans les barres de la cage d'amortisseurs, des courants induits dans les pièces massives du rotor et de la saturation des circuits magnétiques de la machine. Les impédances d'ordre non entier qui modélisent les phénomènes mentionnés ont été validées par rapport aux mesures effectuées sur une tôle ferromagnétique bobinée, ainsi qu'en les comparant aux simulations par éléments finis. L'identification des paramètres de la machine étudiée a été faite grâce aux caractéristiques SSFR (ang. StandStill Frequency Response) mesurées sur la machine synchrone saturée. Ensuite, une méthodologie pour le calcul de la réponse temporelle d'une machine modélisée par des systèmes d'ordre non entier a été présentée. A cet effet, le système d'état généralisé du générateur synchrone a été construit à partir des équations différentielles d'ordre non entier de la machine synchrone. Finalement, une possibilité d'exploitation du modèle non linéaire d'ordre non entier du générateur synchrone, notamment pour la synthèse de la commande robuste CRONE, a été brièvement présentée.