De nombreuses études sont menées in vitro pour analyser la variabilité inter et intra individu de la structure formée par la cage thoracique. Ces études se sont focalisé sur des paramètres majeurs explicatifs de la réponse mécanique de l’ensemble de cette structure : les propriétés mécaniques de l’os cortical des côtes (Kemper et coll., 2005) ; les propriétés mécaniques des côtes dans leur ensemble (Charpail et coll., 2005)(Cormier et coll., 2005); les épaisseurs de corticale des côtes (Cormier et coll., 2005) (Kemper et coll., 2007) (Mohr et coll., 2007) ; les mobilités et raideurs articulaires des articulations costo-vertébrales (Lemosse et coll. 1998)(Vezin et Berthet, 2009). D’autres études se sont focalisées sur la réponse globale de la cage thoracique (Kent et coll., 2005)(Vezin et Berthet, 2009).
Cependant, les corps légués à la science, impliqués dans ces études in vitro, ne représentent pas la variabilité réelle de la population adulte et des études paramétriques in vivo paraissent nécessaires.
Pour la caractérisation mécanique des côtes, nous étudions les potentialités des méthodes ultrasonores développées par le LIP pour évaluer in vivo les propriétés structurales et mécaniques des côtes. Pour l’instant, la corrélation observée sur 9 échantillons entre le
module d’Young de l’os cortical et le paramètre ultrasonore VFAS est encourageant. La possibilité d’estimer une propriété à rupture et l’épaisseur de l’os cortical de la côte est aussi à l’étude. Un tel outil pourrait permettre d’évaluer in vivo la variabilité de ces paramètres qui interviennent directement dans l’occurrence des fractures de côtes.
Pour l’évaluation de la mobilité physiologique de la cage thoracique, la trajectographie du sternum pendant la respiration forcée, avec ou sans mobilisation thoracique par un kinésithérapeute, est une information simple qui semble assez caractéristique de la « souplesse » de la cage thoracique. Le suivi du mouvement des côtes inférieures, une à une, a été envisagée pour obtenir une information plus détaillée, mais les glissements de peau biaisent trop largement le suivi de mires initialement placées sur les côtes. La mobilisation thoracique par le kinésithérapeute permet d’évaluer une raideur thoracique sous un chargement extérieur sans risque lésionnel. Les paramètres évalués par ce protocole quantifient in vivo des propriétés intrinsèques du thorax de façon simple et non lésionnelle. Ces paramètres seront mis en relation avec les caractéristiques évaluées sur les mêmes sujets lors des essais de choc frontal ceinturé.
Pour l’analyse de la variabilité de la réponse mécanique du thorax lors d’un choc frontal ceinturé, l’étude paramétrique in vivo que nous avons mise en place offrira des données précieuses pour identifier les populations à risques. Dans la mesure où les chargements appliqués dans cette étude se situent très loin du domaine lésionnel, chaque sujet testé est modélisé. Pour cela, la géométrie du modèle THUMS est personnalisée par krigeage à l’aide des coordonnées des points palpables mesurées par stéréovision. Ainsi, après validation de modèles personnalisés dans le domaine non lésionnel, l’étude paramétrique sera menée dans le domaine lésionnel par simulation de décélérations plus sévères.
3.7. Perspectives
A court terme, l’étude paramétrique numérique utilisant les modèles personnalisés de sujets testés in vivo doit permettre de répondre à plusieurs questions. La première concerne la sensibilité du modèle THUMS personnalisé. Cette personnalisation géométrique reste relativement sommaire (basée sur une 40aine de points palpables pour le thorax et une homothétie pour les membres (Poulard et coll., 2012)) mais la population testée est relativement large - de la petite femme mince (jeune ou âgée) à l’homme grand corpulent (jeune ou âgé). La variabilité de réponse des modèles personnalisés devra être analysée dans le domaine non lésionnel où elle pourra être comparée à celle observée expérimentalement, puis dans le domaine lésionnel. La seconde question concerne l’identification de population
à risque. Les simulations dans le domaine lésionnel devront permettre d’identifier des modèles présentant des sur-risques de blessures et de définir les catégories de sujets particulièrement à risque.
A moyen terme, la personnalisation géométrique du modèle devra être complétée par une personnalisation des propriétés mécaniques. Dans un premier temps, les résultats d’études
in vitro sur l’influence de l’âge sur les propriétés mécaniques du tissu osseux et en particulier
sur les propriétés des côtes pourront être intégrés. Dans un second temps, on pourra envisager l’utilisation de méthodologies in vivo pour caractériser les côtes: mesures ultrasonores directes ou relations des propriétés des côtes établies avec des mesures réalisées sur d’autres sites (HRpQCT, DXA, …). De la même façon que pour les côtes, il faudra caractériser plus spécifiquement les propriétés mécaniques du sternum pour lequel la prévention des fractures est un enjeu important (Ndiaye et Chiron, 2009).
A plus long terme, si les résultats de nos études paramétriques expérimentales et numériques démontrent la nécessité d’une personnalisation géométrique plus fine de la cage thoracique, on pourra envisager une acquisition de sa géométrie plus détaillée, par stéréoradiographie basse dose par exemple.
L’expérimentation in vivo est idéale pour observer la variabilité inter individu mais elle offre aussi la possibilité d’étudier l’influence des phénomènes physiologiques sur le comportement mécanique du corps humain et sur les risques de lésions. Dans les expérimentations in vivo que nous réalisons, nous faisons l’hypothèse que la contraction musculaire des sujets est minimale. Pour se rapprocher de cela, les sujets sont informés de l’application de la décélération, ils ne sont donc pas surpris, et des consignes de relaxation leur sont données : se détendre, ne pas bloquer sa respiration, laisser partir les bras lors du choc, ... Cependant, on imagine très facilement que l’activité musculaire et respiratoire conditionne le comportement mécanique du thorax. Plutôt que de quantifier l’activité musculaire du thorax qui va conditionner les échanges respiratoires tel que réalisé par (Kemper et coll., 2011), j’envisage de quantifier directement ces échanges respiratoires au cours du chargement afin de les mettre en relation avec la réponse mécanique globale du thorax. Une étude de faisabilité de ce type de mesures a débuté (MAS-3) et un protocole de quantification des échanges respiratoires normaux et sous chargements devrait aussi permettre de valider la modélisation de l’activité respiratoire de modèles en EF tels que le modèle développé par (Behr et coll., 2010).