Au vue des différentes études, on constate que les propriétés de matériau obtenues pour des essais structure (essais de flexion trois points sur côtes entières ou sur tronçon) ne semblent pas dépendantes du niveau costal. Par contre, si on regarde des essais de flexion trois points sur éprouvettes d’os cortical costal (essai matériau), on remarque une variation des ces propriétés selon le niveau costal et la localisation de l’échantillon. Mais, ces observations ne sont plus vraies lorsque l’on étudie les essais de traction type matériau : aucune influence du niveau costal et de la localisation des éprouvettes.
Le genre influence le comportement global du thorax. En effet, les thorax féminins sont plus souples que ceux masculins en choc frontal, ce qui ne se vérifie pas en choc latéral (Kimpara et coll., 2003). Peu d’articles parlent de l’influence du sexe sur les propriétés mécaniques. Les
différences sont constatées surtout au niveau de la géométrie.
L’âge influence les propriétés de matériau de l’os compact et ceci se répercute sur le comportement global du thorax lors d’un choc automobile. Les personnes âgées sont plus fragiles.
5 Densité minérale osseuse (DMO) et minéralisation
La densitomètrie permet d’évaluer la qualité du tissu osseux en mesurant la densité minérale osseuse (DMO) à partir de radiographies. La DMO mesurée sur un sujet est comparée à la DMO attendue pour une population jeune (~ 30 ans). On obtient alors le « T-score ». S’il est supérieur à -1, la DMO du sujet est normale, s’il est compris entre -1 et -2.5, la masse osseuse est basse (ostéopénie) et s’il est inférieur à -2.5, le sujet est ostéoporotique. La DMO est aussi comparée à la DMO moyenne calculée pour une population de même âge et de même sexe que le sujet : c’est le « Z-score ». Le « T-score » et le « Z-score » permettent d’évaluer la qualité osseuse d’un sujet par rapport à des classes d’âge.
Cette technique est utilisée dans plusieurs études. Stitzel et coll. (2003) constatent le module
d’élasticité (moyen calculé pour chaque sujet) augmente avec l’indice de DMO. Par contre, la contrainte ultime ne change pas de manière significative avec la DMO (Figure 17).
Figure 17. Module d'élasticité et contrainte ultime moyens pour chaque sujet en fonction de la densité minérale osseuse (« BMD »), d'après Stitzel et coll. (2003).
D’après Kemper et coll. (2005), la densité minérale osseuse influence de manière
significative les propriétés de matériau moyennes de l’os cortical costal (Figure 18). Le module d’élasticité diminue et la déformation ultime augmente de manière significative (p < 0.01) lorsque la DMO augmente. Il n’y a pas d’influence de la DMO au niveau de la contrainte ultime. On note qu’au niveau de la variation du module selon la DMO, cette étude est en contradiction avec la précédente.
DMO DMO E ( M P a ) σm a x ( M P a )
Figure 18. Module d'élasticité et déformation ultime moyennes pour chaque sujet en fonction de la densité minérale osseuse, d'après Kemper et coll. (2005).
La mesure de la DMO fournit seulement une indication sur la résistance osseuse globale du sujet et ne prend pas en compte les changements locaux de densité et de composition de l’os. En effet, si on s’intéresse aux densité apparentes de l’os humide et de l’os sec (Keller, 1994 ; Carter et Hayes, 1976 ; Martin et Ishida, 1989 ; McCalden et coll., 1993 ; Schaffler et Burr, 1988) pour chaque éprouvette osseuse, on remarque que le module d’élasticité et la
contrainte ultime augmentent de manière significative avec ces densités. Quelques auteurs relèvent des corrélations entre les changements de propriétés de matériau et les concentrations relatives en collagène et sels minéraux (pourcentage de minéralisation). Schaffler et Burr
(1988) rapportent que le module augmente avec le pourcentage de minéralisation. Currey
(1988) trouve que la teneur en calcium, qui est très proche du pourcentage de minéralisation, augmente non-linéairement avec le module. Kemper et coll. (2005) ne trouve aucune
corrélation entre les propriétés de matériau et le pourcentage de minéralisation15 (qui varie peu), ce qui est cohérent avec de nombreuses études. La composition de l’os cortical reste la même, seule la porosité varie selon les individus.
Got et coll. (1975) calcinent des fragments de 4ième côte 15 minutes à 700°C, afin d’établir la
proportion de sels minéraux et la densité linéique en minéraux (C/L, avec C, la masse de cendres et L, la longueur du segment calciné). Ils observent que le C/L est corrélé à la raideur et l’effort max en flexion trois points. Le C/L rend compte de la surface d’os compact, donc de la géométrie. DMO DMO εru p tu re (µ d éf )
6 Synthèse et conclusion
Lors d’un choc automobile, le thorax peut entrer en contact avec divers composants de l’intérieur de l’habitacle comme les systèmes de retenue, lorsque le passager est ceinturé ou/et le volant et le tableau de bord dans le cas contraire. Les blessures thoraciques sont provoquées par des chocs frontaux, latéraux et pour des directions intermédiaires. Elles sont les deuxièmes lésions les plus fréquentes en terme de sévérité, pouvant entraîner la mort.
Si on s’intéresse à l’anatomie du thorax, on remarque qu’il est constitué de la cage thoracique qui contient et protège des organes internes vitaux : cœur, poumons, artères…. La cavité abdominale est séparée par le diaphragme du thorax.
Au niveau lésionnel, les fractures de côtes sont les blessures les plus courantes, ce qui nous amène à nous intéresser à la biomécanique des côtes, afin de mieux comprendre les mécanismes lésionnels.
Une des étapes pour comprendre les mécanismes de rupture des côtes est de connaître la géométrie de celles-ci. On constate que dans la littérature, peu d’études ont été menées sur ce thème. À partir de coupes physiques le long de l’abscisse curviligne des côtes, Roberts et Chen (1971) ont étudié les variations d’inertie, de section et d’épaisseur de corticale,
soulignant la torsion naturelle des côtes et les variations selon les niveaux. Cette étude est réalisée de manière invasive et sur la cage thoracique d’un cadavre de femme. Ces données géométriques seront reprises par d’autres études pour élaborer des modèles en éléments finis. Pour connaître les propriétés mécaniques des côtes, des essais de type structure ont été menés en flexion trois points (Granik et Stein, 1973 ; Yoganandan et coll., 1998 ; Kallieris et coll.,
2000 ; Kimpara et coll., 2003) sur des segments costaux prélevés dans la partie latérale. Afin
de calculer les propriétés de matériau (module d’élasticité d’homogénéisation, contrainte max), des coupes physiques ont été faites de part et d’autre de la zone de fracture et l’inertie a été calculée par approximation elliptique en ne considérant que l’os compact. La plupart des données sont établies en quasi-statique, seuls Kallieris et coll. ont testé des côtes en
dynamique. Les niveaux utilisés vont du 5ième au 8ième, avec généralement pas plus de 2 niveaux par étude. Il est donc difficile de comparer les données et de tirer des conclusions sur l’influence du niveau costal, d’autant plus que toutes ces études n’utilisent pas le même élancement (60-100 mm).
Pour une approche plus fine des propriétés de matériau de l’os compact de côte, des essais de type matériau ont été mis en place. Stitzel et coll. (2003) et Cormier et coll. (2005) ont mené
des essais de flexion trois points en dynamique sur des éprouvettes d’os compact prélevées dans différentes régions : antérieure, latérale et postérieure. Kemper et coll. (2005) ont réalisé
des essais de traction en dynamique sur des éprouvettes d’os et Rumelhart et coll. (1987), des
essais de compression quasi-statique sur des tronçons de côtes. Il est intéressant de montrer que pour la flexion, des différences significatives au niveau des propriétés de matériau sont observées selon les régions de prélèvement le long de l’arc et le niveau, ce qui ne se retrouve pas pour la traction.
A partir de l’état de l’art, les principaux ordres de grandeur concernant les essais sur les côtes sont résumés dans le Tableau 16.
Tableau 16. Principales valeurs des propriétés mécaniques des côtes pour des essais de flexion trois points, de traction et de compression.
Essais E (MPa) σmax (MPa) Fmax (N) dmax (mm)
Flexion trois points (structure)
en statique : ~ 9000 en dynamique : ~ 11000
en statique : ~ 110
en dynamique : ~ 250 150 5
Flexion trois points (matériau) ant. : 7510 milieu : 11900 post. : 10700 ant. : 117 milieu : 153 post. : 128 Traction ~ 14000 σélastique ~ 94 σult ~ 124 Compression 9320 - 45300 27 - 197
On remarque que les données obtenues pour les essais de flexion trois points sont cohérentes entre eux ; l’étude en traction montre que les modules d’élasticité sont légèrement supérieurs aux précédents. Pour la compression, les données sont très dispersées et les valeurs peuvent être de 2 à 4 fois supérieures à celles des études précédentes.
Des essais structurels tels que la compression d’un anneau costal (Verriest et Chapon, 1985)
et la mesure de déplacements lors du chargement de côtes entières (Schultz et coll., 1974)
permettent de connaître la réponse d’une côte à une sollicitation donnée et de servir ainsi à la validation de modèles en éléments finis (Deng et coll., 1999). Il faut cependant noter que les
essais de Schultz et coll. sont réalisés avec le cartilage costal ce qui majore les déplacements
obtenus.
Les essais de flexion ont montré une dépendance avec l’âge (Got et coll., 1975 ; Stein et Granik, 1976 ; Kallieris et coll., 2000), avec une diminution des caractéristiques, ce qui est
cohérent avec les données de Forêt-Bruno et coll. (2001) concernant la diminution du seuil
de risque lésionnel thoracique par rapport à la tension de la ceinture.
La vitesse de sollicitation aurait une influence, la contrainte max augmente chez Stein et Granik (1976) et les données obtenues en dynamique sont plus élevées que celles en statique
essais de flexion trois points seront donc réalisés en dynamique pour augmenter la base de données sur ces essais et améliorer la compréhension du mécanisme lésionnel de la côte durant cet essai. Des essais de compression sur des tronçons d’os devraient nous permettre de compléter les données déjà présentes. Le protocole devra permettre d’observer les effets du niveau costal et de la vitesse.
Afin d’améliorer la biofidélité des modèles EF de côtes, des essais sur côtes entières, toujours en dynamique, seront envisagés. Ils permettront de connaître les seuils de rupture en effort et en déplacement d’une côte, et grâce à la simulation numérique, remonter aux propriétés de matériau et définir des seuils lésionnels.
Pour une meilleure compréhension des phénomènes mécaniques, une connaissance approfondie de la géométrie des côtes est nécessaire. Un travail sur la reconstruction costale à partir de coupes tomodensitométriques est souhaitable, permettant alors la création d’une base de données utilisable pour développer et personnaliser des modèles de cage thoracique.
DEUXIEME PARTIE : CONTRIBUTION A
LA CARACTERISATION MECANIQUE DES
COTES
Cette seconde partie du mémoire de thèse présente les travaux réalisés. Tout d’abord, les essais de type matériau sont présentés, tels que la compression uniaxiale, la calcination, puis, les essais de type structure, tels que la flexion trois points et la compression antéropostérieure de côtes entières. Pour chaque chapitre, les résultats sont donnés et discutés, une discussion avec une synthèse générale clôture cette deuxième partie.
ESSAIS « MATERIAU »
Comme il l’a été défini précédemment, il s’agit de définir les essais de type matériau réalisés, qui sont la compression et la calcination. Ces essais sont ensuite analysés et les résultats discutés. Ils permettent d’acquérir une meilleure connaissance et compréhension du comportement de l’os costal.