d’identification posés par

(1)

Institut Mines-Télécom

Problèmes

d’identification posés par la biomécanique

vasculaire : application à la rupture des

anévrismes de l’aorte thoracique ascendante

Stéphane AVRIL

(2)

Centre Ingénierie et Santé - CIS

« Improving health through science and engineering»

(3)

 Domaine de recherche

• Biomécanique des tissus mous, des textiles médicaux et des implants

• Ingénierie des biomatériaux et des particules inhalées

• Ingénierie des structures de soin et des systèmes de santé

 Ressources humaines : 60 personnes

• 26 permanents : 16 EC + 8 ITA

• 34 Doctorants et Post docs

 Expertises, compétences et savoir-faire

• Mécanique, matériaux, mathématiques et biologie

• Champs d’application : biomédical, santé, médecine, sport, cosmétique, pharmacie.

 Unités de recherche

• SaInBioSE (INSERM U1059)

• LIMOS ( UMR CNRS 6158)

F2M Paris - 2016/01/13 - Stéphane AVRIL

Centre Ingénierie et Santé

3

(4)

Centre Ingénierie et Santé

Soft Tissue BIOmechanics

resp. J. Molimard

BIOmatériaux et Particules Inhalées

resp. J. Pourchez

Ingénierie des Systèmes de Soins et des Services de Santé

Resp. X. Xie

Modélisation, simulation et optimisation des systèmes de production de soin, planning, logistique hospitalière, recherche opérationnelle

Synthèse et mise en forme de biocéramiques, 3D printing, métrologie des aérosols, culture cellulaire, caractérisation bio- physico-chimique des solides divisés

Prévention des ruptures d’anévrisme, action

biomécanique des textiles médicaux, simulations

numériques, biotribocorrosion des implants

Action biomécanique des bas de contention Injection de nanoparticules sur modèle anatomique Système d’information dans un hôpital

(5)

Institut Mines-Télécom F2M Paris - 2016/01/13 - Stéphane AVRIL

PROBLÉMATIQUE MÉDICALE ET SOCIÉTALE

F2M Paris - 2016/01/13 - Stéphane AVRIL 5

 Risque élevé de rupture pour les anévrysmes de diamètre > 5 cm

 Interventions chirurgicales très lourdes dans beaucoup de cas

Comment prédire le risque de rupture spécifique à

chaque individu?

Thèse d’Ambroise Duprey

chirurgien

(6)

Aorte

thoracique ascendante

Aorte descendante (thoracique et abdominale)

arche aortique ▶ dilatation locale de l’aorte due à un affaiblissement de la paroi

LES ANÉVRYSMES AORTIQUES

(7)

Institut Mines-Télécom F2M Paris - 2016/01/13 - Stéphane AVRIL 7

STRUCTURE DE L’AORTE

(8)

STRUCTURE DE L’AORTE

(9)

STRUCTURE DE L’AORTE: INTIMA

(10)

STRUCTURE DE L’AORTE: INTIMA

(11)

STRUCTURE DE L’AORTE: MEDIA

(12)

STRUCTURE DE L’AORTE: MEDIA

(13)

STRUCTURE DE L’AORTE: ADVENTICE

(14)

STRUCTURE DE L’AORTE: ADVENTICE

(15)

COMPORTEMENT MECANIQUE DE L’AORTE

(16)

COMPORTEMENT MECANIQUE DE L’AORTE:

TRACTION UNIAXIALE

(17)

COMPORTEMENT MECANIQUE DE L’AORTE:

TRACTION GONFLEMENT

(18)

COMPORTEMENT MECANIQUE DE L’AORTE:

TRACTION BIAXIALE

(19)

PROBLEMATIQUE 1: LA RUPTURE

(20)

-0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

-2 0 2 4 6

Load (g)

Displacement (mm)

PAR LA MECANIQUE DE LA RUPTURE

(21)

PAR LA MECANIQUE DE L’ENDOMMAGEMENT

(22)

MISE EN PLACE D’UNE ETUDE

EXPERIMENTALE

(23)

« PREPARATION DES ECHANTILLONS »

(24)

ESSAI BIAXIAL DE GONFLEMENT

III) Inflation test device. Speckle pattern is made before starting the

inflation test Circumferential

A x ia l

Romo et al. Journal of Biomechanics -2014.

(25)

Local stress reconstruction

𝐴 ∙ 𝝈 = [𝐵]

𝑑𝑖𝑣 𝝈 + 𝑓 = 0

(26)

camera

Instron machine protector

Undeformed Deformed

x y

Full-field measurements using sDIC

(27)

Stress and strain field reconstruction using a deforming NURBS mesh

Least-squares minimization:

(28)

Stress and strain field reconstruction using a deforming NURBS mesh

Davis et al, BMMB, 2015

(29)

Rupture picture and area of interest Local thickness evolution (mm)

h ₀ /( _I  _II )

A. Romo, S. Avril, P. Badel, A Duprey, J.P.

Favre. In vitro analysis of localized aneurism rupture. Journal of Biomechanics -2014, vol 47, N°3, pp 607-616.

Local analysis of rupture using a scalar field

(30)

55% of the ultimate stress

Local damage initiation

h ₀ /( _I  _II )

(31)

Ultimate stress-strain behaviour in the

localization zone

(32)

𝜎 ^𝑅𝑢𝑝 = (𝜎 ∙ 𝑞 _𝜃 ) ∙ 𝑞 _𝜃

Ultimate stress values

y = 694,56x^-1,573 R² = 0,5149

0 1 2 3 4 5 6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Strength (MPa)

Age

in vivo stress

(33)

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

uniax circ uniax long biax

Ultimate stress values: comparison with uniaxial tests

Age

Strength (MPa)

(34)

Ultimate stretch values

Age

y = -0,0078x + 1,8877 R² = 0,5212

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Stretch

(35)

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

uniax circ uniax long biax

Ultimate stretch values: comparison with uniaxial tests

Engineering strain

Age

(36)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

gamma_stress gamma_stretch

Age Rupture criterion

Ultimate stretch or ultimate stress?

(37)

y = 1,3047x - 0,2383 R² = 0,683

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8

1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6

Ultimate stretch

In vivo stretch

Ultimate stretch values versus

in vivo stretch values

(38)

y = 0,0648ln(x) + 0,8708 R² = 0,7803

0,8 0,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1

0 1 2 3 4 5 6 7

Ratio between in vivo stretch and ultimate stretch

In vivo elastic modulus (MPa)

Definition of an index of brittleness

(39)

Towards bulk analysis of rupture

Clémentine Didier, Pierre Badel

Coll avec Eric Maire

(40)

Quelles sont les propriétés locales du tissu ?

Davis et al. Biomechanics and Modeling in

Mechanobiology - 2015.

(41)

Local stress strain analysis

(42)

Fit a strain energy density function at every point

𝛽 𝛽

Strain energy function:

(43)

Results: fields of material properties

(44)

Results: intra versus inter variability

(45)

Results: the strain energy density as a scalar metrics

(46)

Results

(47)

Fit a strain energy density function at

every point

(48)

Need to apply several independent paths of loading

Future work: combining DIC with our biaxial test bench

(49)

Utilisation du CT scan et de la méthode des éléments finis

F2M Paris - 2016/01/13 - Stéphane AVRIL

Trabelsi et al. Journal of Biomechanics - 2015.

Segmentation des images du scanner

pré-opératoire

Reconstruction d’un modèle puis

maillage

Prédiction des contraintes maximales en

systole

49

(50)

Identification of hyperelastic parameters by calibrating the volume changes

A

C B

D

-40000

-40000 -200

00

-2 0000

-20000

-200 00 0

0

0 20000

20000

20000 20000

20000

40000

40000 ⁴⁰⁰⁰⁰

60000 D1 (kPa)

D2

Patient 1: Variation between predicted and CT systolic and mid-cycle volumes (mm3)

2 3 4 5 6 7 8 9 10

2 3 4 5 6 7 8 9

F(sys) F(mid)

Trabelsi et al. Annals of biomedical Engineering- 2016.

INVERSE ANALYSIS

(51)

PROBLEMATIQUE 2 : LE REMODELAGE

(52)

PROBLEMATIQUE 2 : LE REMODELAGE

(53)

PROBLEMATIQUE 2 : LE REMODELAGE

(54)

PROBLEMATIQUE 2 : LE REMODELAGE

(55)

MECHANOBIOLOGY OF THE THORACIC AORTA

(56)

PATIENTS WITH ATAA HAVE A DISORGANIZED MEDIA WITH FRAGMENTED ELASTIN AND

PRESENCE OF VACUOLES

(57)

FUNDAMENTAL STUDY USING A MOUSE

« MODEL »

(58)

MECHANICAL CHARACTERIZATION

TENSION - INFLATION

(59)

MEASUREMENT OF THE RESPONSE USING DIGITAL IMAGE CORRELATION

classical panoramic

(60)

PANORAMIC DIGITAL IMAGE CORRELATION

K. Genovese.

Optics and Lasers in Engineering, Vol. 47, pp. 995-1008, 2009.

(61)

EXAMPLES

(62)

CONSTITUTIVE MODEL

(63)

PARAMETERS TO BE IDENTIFIED

(64)

Set of parameters

Stress derivation

Cost function:

deviation from equilibrium minimization

IDENTIFICATION OF CONSTITUTIVE PROPERTIES

initialization

identification

(65)

EXEMPLE DE RESULTATS

(66)

EXEMPLE DE RESULTATS

(67)

EXEMPLE DE RESULTATS

(68)

EXEMPLE DE RESULTATS

(69)

EXEMPLE DE RESULTATS

(70)

EXEMPLE DE RESULTATS

(71)