Caractérisations mécanique et structurale couplées des tissus biologiques pour la personnalisation des modèles EF du corps humain dans le domaine de la sécurité passive

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Caractérisations mécanique et structurale couplées des

tissus biologiques pour la personnalisation des modèles

EF du corps humain dans le domaine de la sécurité

passive

Karine Bruyere-Garnier

To cite this version:

Karine Bruyere-Garnier. Caractérisations mécanique et structurale couplées des tissus biologiques pour la personnalisation des modèles EF du corps humain dans le domaine de la sécurité passive. Biomécanique [physics.med-ph]. UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1, 2012. �tel-02019816�

N d’ordre 030-2012 Année 2012

HABILITATION A DIRIGER DES RECHERCHES UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1

BRUYERE GARNIER Karine

Chercheur IFSTTAR au Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs UMR_T 9406 IFSTTAR/UCBL1

Caractérisations mécanique et structurale couplées des tissus

biologiques pour la personnalisation des modèles EF du corps

humain dans le domaine de la sécurité passive

Soutenue le 13 juillet 2012

Après avis des rapporteurs :

Mr Mathias BRIEU: Professeur à l'Ecole Centrale de Lille

Mr Lalaonirina RAKOTOMANANA : Professeur à l’Université de Rennes 1 Mr Rémy WILLINGER : Professeur à l'Université de Strasbourg

Devant le jury composé de:

Mr Mathias BRIEU: Professeur à l'Ecole Centrale de Lille Mr Rémy WILLINGER : Professeur à l'Université de Strasbourg Mr Alain COMBESCURE : Professeur à l'INSA de Lyon

Mr Eric JACQUELIN : Professeur à l’Université Claude Bernard Lyon 1 Mr Eric MARKIEWICZ : Professeur à l'Université de Valenciennes Mr Jean-Pierre VERRIEST : Directeur de recherche émérite à l’IFSTTAR

R

Cette Habilitation à Diriger des Recherches est le fruit d’un travail mené avec le concours de nombreuses personnes citées ici. Je leur adresse mes plus vifs remerciements.

Les rapporteurs et membres du jury

Pr Mathias BRIEU – Pr Alain COMBESCURE – Pr Eric JACQUELIN – Pr Eric MARKIEWICZ Pr Lalaonirina RAKOTOMANANA – Jean-Pierre VERRIEST – Pr Rémy WILLINGER

Mes éducateurs

Claude RUMELHART - Michel BRUNET - Jean Pierre VERRIEST - Michelle RAMET Robert BOUQUET - Pierre LAPELERIE - Fabrice MORESTIN

Mes collègues

David MITTON - Mélanie OTTÉNIO - Mickael GILCHRIST - Ashling NI ANNAIDH - Philippe VEZIN Catherine MASSON - Thierry SERRE - Pascal DRAZÉTIC - Rémi DELILLE - Denis LESUEUR Patrick JOFFRIN - Raphaël DUMAS - Hélène FOLLET - Sabine COMPIGNE - François BERMOND

Georges BARATON - Emmanuel VAJDA - Michel CORET - Rachael TAN - Stéphane NICOLLE Tous les membres du LBMC et de l’UNEX

Les doctorants

Barbara AUTUORI - Sonia DUPREY - Clémentine JACQUEMOUD - Audrey AUPERRIN Aline BRUNON - David POULARD

Les autres étudiants

Charlène DELIMOGES - Dounia SLOUGHI - Laurent MATHIEU - Doris TRAN - Baptiste SANDOZ Aidan GALLAGHER - Lila BONENFANT - Bilal BOUSSOUAR - Théo CABUT

Florian VANDENBULCKE - Mélanie BIRIEN - Yaël PERICARD

Et aussi

- Les sujets volontaires -

T

R

... 3

T

... 5

F

... 9

A

... 11

1. Introduction ... 11

2. Thème 1 : Caractérisation mécanique macroscopique à rupture et observation microscopique de la structure des tissus biologiques mous ... 15

2.1. Contexte ... 15

2.1. Travaux existants ... 16

2.2. Objectifs et méthodologie ... 17

2.3. Résultats marquants sur la peau humaine ... 18

2.3.1 Première étude - Thèse de Clémentine Jacquemoud, 2003-2007 ... 18

2.3.2 Collaboration dans le cadre du projet Ulysses, 2008-2012 ... 21

2.4. Résultats marquants sur la capsule de Glisson ... 24

2.5. Résultats marquants sur le parenchyme hépatique ... 27

2.6. Synthèse - Discussion ... 28

2.7. Perspectives ... 30

3. Thème 2 : Influence de l’âge sur la vulnérabilité du thorax lors de chargements dynamiques ... 33

3.1. Contexte et travaux existants ... 33

3.1.1 Accidentologie ... 33

3.1.2 Mécanismes et critères de blessures thoraciques ... 33

3.1.3 Influence de l’âge ... 34

3.1.4 Influence du genre et de l’indice de masse corporelle sur les blessures au thorax ... 36

3.1.5 Modélisation personnalisée par EF ... 37

3.1.6 Observations in vivo dans le domaine du choc ... 38

3.2. Axes de recherche présentés et objectifs associés... 38

3.3. Caractérisation des propriétés mécaniques des côtes ... 40

3.3.1 Matériel et méthode ... 40

3.3.2 Résultats préliminaires ... 42

3.4.1 Matériel et méthode ... 42

3.4.2 Résultats préliminaires ... 43

3.5. Analyse de l’influence de l’âge sur la réponse du thorax à un chargement ceinture ... 45

3.5.1 Morphologie de la cage thoracique ... 45

3.5.2 Réponse du thorax à un choc léger avec ceinture ... 45

Définition de la sévérité du choc léger in vivo ... 46

Mesure de la déflection thoracique in vivo ... 46

Résultats préliminaires ... 48

3.6. Synthèse et discussion ... 50

3.7. Perspectives ... 51

4. Conclusions et perspectives générales ... 53

C

V

... 57

1. Etat civil ... 57

2. Diplômes ... 57

3. Cursus professionnel ... 57

3.1. Chargée de recherche INRETS puis IFSTTAR ... 57

3.2. Doctorat de Mécanique ... 57

3.3. Prestations d’essais et d’analyse dans le domaine de la biomécanique... 58

3.4. Stage de DEA de Mécanique ... 58

3.5. Stage de formation d’ingénieur ... 58

4. Activités d’enseignement et de formation ... 59

4.1. Responsabilités d’enseignement ... 59 4.2. Enseignements : ... 59 4.3. Encadrements : ... 60 4.3.1 Thèses : ... 60 4.3.2 DEA/Master : ... 61 4.3.3 Post-doc : ... 62

5. Jurys de thèses, expertises : ... 62

5.1. Jurys de thèse ... 62

5.2. Expertises ... 62

5.2.1 Expertises d’articles ... 62

5.2.3 Expertise de projets pour l’ANR ... 63

6. Animation et administration de la recherche ... 63

6.1. Organisation de workshops ... 63

6.2. Animation du GDR2610 Recherches en biomécanique des chocs (2003-2010) ... 64

7. Participation à des projets contractuels ... 64

7.1. Projet européen FID ... 64

7.2. Projet européen HUMOS2 ... 64

7.3. Projet européen APROSYS-SP5 ... 65

7.4. Projet ANR blanc SECUR_ENFANT ... 65

7.5. Projet Elderly ... 66

8. Publications ... 66

8.1. Articles dans des revues internationales ... 66

8.2. Articles dans des revues nationales ... 68

8.3. Conférence donnée à l’invitation du comité d’organisation ... 68

8.4. Communications dans des congrès internationaux ... 68

8.5. Communications dans des congrès nationaux ... 73

8.6. Communications sans actes dans des séminaires ... 74

8.7. Communications affichées ... 75

8.8. Rapports de contrat internationaux... 75

8.9. Rapports de contrat industriel ... 76

8.10. Diffusion de la culture scientifique ... 76

R

... 79

1. Bibliographie de l’introduction ... 79

2. Bibliographie du thème 1 ... 79

F

BRUYERE GARNIER Karine

Chercheur IFSTTAR depuis 2000,

Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs (LBMC) UMR_T 9406 IFSTTAR-UCBL

Titulaire de la PES pour la période 2009-2012

Activités de recherche

Caractérisation mécanique macroscopique à rupture et observation microscopique de la structure des tissus biologiques mous (membranes conjonctives fibreuses et parenchymes) Problématique et méthodologie :

La modélisation numérique du comportement à rupture des tissus biologiques mous pour une prédiction personnalisée des lésions traumatiques des organes abdominaux ou thoraciques, nécessitent d’expliquer et de quantifier la variabilité du comportement de ces tissus. Mon travail de recherche se base sur la caractérisation sous sollicitation mécanique macroscopique du tissu biologique associée à l’observation microscopique de sa microstructure.

Travaux :

Sur le derme humain : traction uniaxiale statique et dynamique à rupture avec mesure de champ de déformation surfacique, couplée à des observations histologiques

Sur la capsule de Glisson : traction uniaxiale quasi-statique à rupture et essai de gonflement à rupture avec mesure de champ de déformation surfacique, observations préliminaires du réseau de fibres de collagène en microscopie confocale

Sur le parenchyme hépatique superficiel : traction uniaxiale quasi statique à rupture, observations histologiques de la rupture

Collaborations :

LaMCoS sur la peau et les tissus hépatiques, University College de Dublin sur la peau

Analyse expérimentale de la variabilité de la réponse au choc de structures anatomiques pour la personnalisation des modèles en éléments finis du corps humain

Problématique et méthodologie :

Dans le domaine de la sécurité passive, la personnalisation des modèles en éléments finis de segments corporels offre des potentiels pour l’amélioration de la prédiction des risques de fractures osseuses. Pour cela, l’influence de la structure et des propriétés mécaniques des structures corporelles sur leur réponse mécanique à un chargement dynamique doit être analysée.

Travaux :

Modélisation par éléments finis de la face et du crâne et étude de la variabilité des propriétés mécaniques de l’os crânien : essais statique et dynamique à rupture sur la structure osseuse de la face, essais de flexion sur l’os crânien, caractérisation structurale de l’os crânien

Analyse de l’influence de la personnalisation géométrique des os de l’épaule pour la simulation des fractures osseuses en cas de choc latéral

Influence de l’âge sur la vulnérabilité du thorax lors de chargements dynamiques : caractérisations mécanique et structurale des côtes, caractérisation in vivo de la mobilité physiologique de la cage thoracique, analyse in vivo de la réponse mécanique du thorax à un chargement dynamique.

Collaborations :

Bilan chiffré Thèses co-encadrées 6 dont 5 soutenues 2001-2004, B. Autuori (50%) 2004-2007, S. Duprey (80%) 2004-2007, C. Jacquemoud (45%) 2007-2009, A. Auperrin (30%) 2009-2011, A. Brunon (45%) 2010-2012, D. Poulard (70%)

Publications dans des revues internationales à comité de lecture

15

dont 6 dans les 4 dernières années

J. of Biomechanics (2), J. of the Mech. Behavior of Biomedical Materials (2), Annals of Biomedical Engineering, IEEE Transaction on biomed. Eng., Bone, Clinical biomechanics, Medical engineering and Physics, Computer methods in biomechanics and biomedical engineering, European Journal of Computational Mechanics, Stapp Car Crash Journal

Communications dans

des congrès internationaux 36 _{dont 11 dans les} 4 dernières années

Congrès de la SB, congrès de l’ISB, ICMOBT, IRCOBI, AAAM, Stapp

Autres activités

Master 2 Recherche Biomécanique, Ecole doctorale MEGA Lyon

- Co-responsable du module « Introduction à la mécanique des matériaux biologiques », depuis 2012

- Intervenante dans plusieurs modules depuis 2000, 6 à 10h/an Interventions dans d’autres formations, de 2000 à 2011

- Master ENSAM sciences et technologie, mention BIOST, spécialité biomécanique des chocs et sécurité des transports

- INSA-GMC, 5ème _{année Centre d’Intérêt Dynamique de la locomotion}

- Master Pro Transport, UCBL1

Animation du GDR2610 Recherches en biomécanique des chocs

Le GDR2610 a fonctionné de 2003 à 2010, sous la direction de J.P.Verriest. Il réunissait 7 laboratoires français. J’ai assuré une grande part du travail d’administration et d’animation scientifique de ce GDR : rédaction de documents, gestion, réunions de bureau, organisation de séminaires.

Implications contractuelles

HUMOS2 2002-2005 (projet européen):

- montage et coordination temporaire (1ère _année)

- contribution scientifique dans le WP1 : Geometry acquisition FID 2000-2003, APROSYS 2004-2008 (projets européens):

- contributions scientifiques resp. sur la face humaine et la caractérisation des tissus biologiques mous

SECUR_ENFANT 2007-2009 (projet ANR blanc)

- contribution scientifique sur la caractérisation de la compliance thoracique de l’enfant ELDERLY 2009-2012 (projet contractuel avec Toyota Motor Europe)

- montage et coordination

A

1. Introduction

L’efficacité des dispositifs de protection des usagers des transports est évaluée à l’aide d’outils de prédiction des risques de blessures qui sont principalement les mannequins anthropomorphiques et les modèles numériques.

Les mannequins anthropomorphiques sont les outils les plus robustes pour la prédiction des risques de blessures en cas de choc mais présentent de nombreuses limitations en termes de représentativité de la variabilité inter individu et dans leur capacité à prédire des risques de lésions complexes.

Si on regarde les mannequins règlementaires (Hybrid III en choc frontal et Eurosid 2 en choc latéral pour l’Europe) (normes (UN/ECE R94, 2008), (UN/ECE R95, 2005), ils correspondent à un jeune homme adulte de taille moyenne. Par ailleurs, les paramètres physiques mesurés pour évaluer les risques de blessures des organes les plus sensibles sont limités. Si on considère la tête, le critère règlementaire HIC intègre le niveau de décélération linéaire au centre de gravité de la tête sur une durée plus ou moins longue. Au niveau du thorax, les critères de lésions règlementaires sont basés sur la déflection thoracique et l’accélération du thorax.

Dans le développement des mannequins de nouvelle génération, l’amélioration du thorax du mannequin de choc frontal THOR (Shams et coll., 2005), (Shaw et coll., 2005), par exemple, fait l’objet de nombreux travaux (FID1_{, THORAX}2_{). Ces études visent à}

améliorer le réalisme de la réponse au choc du thorax et à définir de nouveaux critères plus représentatifs des mécanismes de blessures de ce segment corporel en cas de chargement par la ceinture et par l’air bag.

Par ailleurs, les modèles numériques déformables du corps humain (modèles en éléments finis) sont en fort développement pour l’évaluation des risques de blessures en cas de choc. Outre, les avantages liés au coût des essais de choc virtuels par rapport aux « crash tests » réels, l’utilisation de ces modèles du corps humain présentent de nombreux potentiels pour une meilleure prédiction des risques de blessures. Ces capacités des modèles en éléments

1 _{FID : Improved Frontal Impact Protection thought a World Frontal Impact Dummy. Projet européen du}

4ème PCRD n° GRD1 – 1999 – 10559, 2000-2003

2 _{THORAX : Thoracic injury assessment for improved vehicle safety. Projet européen du 7ème PCRD,}

finis ont déjà largement été utilisées dans le domaine de l’orthopédie et de l’évaluation des risques de fractures osseuses.

Tout d’abord, l’exploitation des moyens d’imagerie médicale du corps humain a permis d’obtenir des modèles assez réalistes d’un point de vue anatomique pour l’homme de taille moyenne (HUMOS3_{, THUMS}4_{, H-Model}5_{, GHBMC}6_{). Des outils permettant la}

personnalisation géométrique de ces modèles existent mais pour représenter la variabilité anatomique inter individus de façon pertinente, les connaissances en anatomie quantitatives doivent être mieux exploitées.

De plus, le principe de calcul par la méthode des éléments finis nécessite d’intégrer des lois de comportement des matériaux biologiques humains. Sur la base des connaissances sur le comportement mécanique des tissus biologiques humains, les propriétés utilisées dans ces lois peuvent être modulées pour prendre en compte la variabilité inter individus et intra individu. Actuellement, la validation de la personnalisation des propriétés du tissu osseux pour prendre en compte l’effet du vieillissement est un premier défi. Dans le domaine de la personnalisation des propriétés des organes mous thoraciques et abdominaux, tout reste à faire.

Enfin, le calcul par la méthode des éléments finis permet de quantifier des paramètres physiques locaux (contraintes, déformations, endommagement au niveau des tissus biologiques) lors d’une simulation de sollicitation mécanique appliquée à l’ensemble du corps humain (décélération virtuelle avec ceinture par exemple). Ces paramètres locaux calculés au niveau des tissus biologiques sont potentiellement de meilleurs critères de blessures que les paramètres globaux mesurés sur des mannequins de choc.

Le pré requis pour envisager la personnalisation des modèles EF est la connaissance des paramètres explicatifs de la variabilité inter individu. On peut se baser sur certains

3 _{HUMOS : développé dans les projets HUMOS et HUMOS2, HUMOS2 : Development of a set of}

human models for safety, Projet européen du 5ème _{PCRD, n° G3RD-Ct-2002-00803}

4 _{THUMS : Total Human Model, développé par Toyota Central R&D Labs. Inc, Toyota System Research}

Inc., and Toyota Motor Company en collaboration avec de nombreux partenaires et universitaires

5 _{H-model : famille de modèles du corps humain développé par ESI,}

http://www.esi-group.com/products/biomechanics/

6 _{GHBMC : Global Human Body Model Consortium, consortium de 9 constructeurs automobiles et 2}

équipementiers pour le développement de modèle numériques du corps humain dans le domaine du crash, http://www.ghbmc.com/

paramètres qui modifient la physiologie du corps humain tels l’âge, le niveau d’activité physique, les pathologies,…Cependant, de tels paramètres ont une influence très globale sur le corps humain et sont, pour certains, très difficiles à quantifier. On choisira donc des paramètres physiques plus faciles à quantifier, et plus représentatifs de l’échelle d’observation. Dans le domaine de la sécurité passive, on s’intéresse au corps entier dans un environnement de transport et on souhaite prédire des risques de lésions locales des organes. La gamme des échelles d’observation est donc large.

Dans ce contexte, l’essentiel de mon travail de recherche se situe à l’échelle de l’organe isolé et des tissus biologiques :

1 - une partie de mon travail est basée sur la caractérisation mécanique macroscopique à rupture et l’observation microscopique de la structure des tissus biologiques mous, plus précisément des membranes conjonctives fibreuses et du parenchyme hépatique. Ces recherches seront présentées sous l’intitulé « Thème 1 : Caractérisation mécanique macroscopique à rupture et observation microscopique de la structure des tissus biologiques mous ».

2 - une autre partie de mon travail est la caractérisation mécanique et structurale d’éléments du squelette pour le développement de modèles EF personnalisés. J’ai encadré des travaux sur l’épaule et sur le crâne et la face ; et par ailleurs, je mène des travaux qui constituent un projet de recherche plus complet sur le thorax, dont une partie expérimentale consiste à analyser in vivo la variabilité de la réponse à un chargement rapide du thorax. Ces recherches sur le thorax sont présentées sous l’intitulé « Thème 2 : Influence de l’âge sur la vulnérabilité du thorax lors de chargements dynamiques ».

2. Thème 1 : Caractérisation mécanique macroscopique à rupture et

observation microscopique de la structure des tissus biologiques

mous

2.1. Contexte

La construction des modèles numériques personnalisés des organes mous pour de la simulation de traumatismes est un enjeu à la fois dans les situations d’impact (accident de transport, accidents de sports, rixes, …) et dans certaines situations de chirurgie (chirurgie réparatrice, chirurgie bariatrique, ...). Si on s’intéresse en particulier aux organes pleins abdominaux, les mécanismes de lésions sont nombreux : hématomes (décollements de la capsule de l’organe), arrachements des attaches, lacérations (ruptures) superficielles ou profondes. Par ailleurs, le comportement mécanique des tissus biologiques qui constituent ces organes, présente une forte variabilité intra-individu et inter-individu, variabilité fortement liée au vieillissement et à des pathologies spécifiques. D’autre part, le fonctionnement physiologique de certains organes conditionne aussi leur réaction à une sollicitation mécanique accidentelle.

Dans ce contexte, l’étude du foie parait intéressante car cet organe présente toutes les complexités des organes abdominaux : une géométrie interne et externe sophistiquée, différents constituants (capsule de Glisson, parenchyme hépatique, veines et artères), un système d’attache complexe et des mécanismes physiologiques qui ne peuvent pas être ignorés si on considère le comportement mécanique de l’organe dans son ensemble.

La capsule de Glisson est une membrane conjonctive fibreuse, telle le fascia ou le derme. Le parenchyme hépatique est formé de lobules délimités par une membrane conjonctive fibreuse, et composés d’un arrangement de cellules centré sur une veine centrolobulaire (Figure 1 ). Si on s’intéresse au parenchyme hépatique superficiel, le réseau vasculaire est très fin et le parenchyme peut être considéré comme homogène à l’échelle macroscopique (ordre du cm).

Certaines pathologies conduisent à des modifications caractéristiques de la microstructure des tissus hépatiques. On notera en particulier les cas de fibrose et de stéatose. La fibrose correspond à une accumulation du tissu conjonctif fibreux dans le parenchyme. La stéatose est caractérisée par la présence de tissu adipeux dans le parenchyme hépatique.

Figure 1 Anatomie et histologie du foie humain, a) vue inférieure, d’après (Netter, 1999), b) et c) coupes histologiques du parenchyme et de la capsule de Glisson

2.1. Travaux existants

Ces 10 dernières années, de nombreux travaux se sont intéressés à la quantification in vivo du comportement mécanique des tissus hépatiques. Dans le domaine médical, pour l’amélioration du diagnostic ou de techniques chirurgicales, une technique consiste à coupler une sollicitation non lésionnelle superficielle du foie (aspiration ou indentation) à une identification des propriétés mécaniques, basée sur un modèle analytique ou en éléments finis du problème mécanique (Hollenstein et coll., 2006) (Mazza et coll., 2007) (Mazza et coll., 2008) (Nava et coll., 2008) (Valtorta et coll., 2005) (Kerdok et coll., 2006) (Jordan et coll., 2009) (Carter et coll., 2001) (Ahn, 2010). En parallèle, les techniques d’élastographie ultrasonore et par IRM se sont développées. Elles ont beaucoup apporté pour l’amélioration du diagnostic des pathologies du foie (détection de tumeurs parenchymateuses, diagnostic de fibrose) et permettent de déterminer des propriétés élastiques et viscoélastiques du parenchyme (Huwart et coll., 2008) (Klatt et coll., 2010) (Sandrin et coll., 2003)(Yamada et coll., 2006)(Castera et coll., 2008) (Périchon et coll. 2009)(Oudry et coll. 2009)(Muller et coll., 2009)(Bavu et coll., 2011). Cependant, ces techniques applicables in vivo ne permettent pas, pour l’instant de quantifier des caractéristiques mécaniques à rupture des tissus hépatiques.

In vitro, pour des applications dans le domaine du choc, le comportement mécanique

jusqu’à rupture de foies isolés a été évalué dès 1973 (Melvin, 1973). Plus récemment, des essais de choc ont été réalisés sur foies humains et porcins, isolés puis remis sous pression

interne afin de reproduire l’effet du fonctionnement physiologique (Sparks, 2007). Ces travaux ont permis d’établir un critère global de lésion du foie en termes de pression vasculaire et de démontrer l’importance de reproduire les pressions physiologiques lors de la caractérisation mécanique in vitro du foie entier. Cependant, aucun critère de rupture local des tissus hépatiques n’a été proposé dans cette étude. De la même façon, aucun critère de rupture local n’est proposé par Conte et coll., dans l’identification des propriétés mécanique des tissus hépatiques, basée sur un modèle en éléments finis de foie complet (Conte et coll., 2011).

En parallèle, des essais ont aussi été menés sur des échantillons isolés de tissus hépatiques. Le parenchyme a été testé en cisaillement (Liu et Bilston, 2000,2002) (Saraf et coll., 2007) (Nicolle et coll., 2010a) (Klatt et coll., 2010), en compression (Dan, 1999), (Farshad et coll., 1999), (Tamura, 2002), (Kiss et coll., 2004), (Hu et Desai, 2004), (Pervin et coll., 2011), (Roan et Vemaganti, 2007), (Chui, et coll. 2007) et en traction unidirectionelle (Santago et coll., 2009a, 2009b) (Gao et coll., 2010). Tous ces essais ont été réalisés sur des échantillons provenant de différentes origines (humaine, porcine ou bovine) et dans des conditions expérimentales variées en terme de vitesse de déformation, de conservation des échantillons (maintenus frais, congelés ou issus de pièces anatomiques embaumées), de conditions d’essais (hydratation, température). Comme souvent sur les matériaux biologiques, l’absence de standardisation des conditions d’essais rendent difficile une compilation des données.

Peu de données existent sur la capsule de Glisson, cette membrane a été principalement testée en traction uniaxiale (Farshad et coll., 1999) (Hollenstein et coll., 2006) (Umale et coll., 2011).

2.2. Objectifs et méthodologie

J’ai choisi de m’intéresser au foie en visant plus particulièrement la prédiction des fractures superficielles qui par leur propagation en profondeur peuvent conduire à des risques hémorragiques très importants.

Ainsi, une première étape de cette recherche consiste à caractériser le comportement mécanique de la capsule de Glisson et du parenchyme hépatique superficiel et à quantifier pour ces deux matériaux des critères de rupture dits locaux, par opposition à des critères de lésions globaux, qui peuvent être définis à partir d’un chargement d’ensemble de l’organe.

L’objectif de mes travaux de recherche et de fournir des données quantitatives pour le développement de modèles de comportement et d’endommagement des tissus hépatiques, basés sur la microstructure.

Pour apporter de nouvelles connaissances sur le comportement mécanique de ces matériaux biologiques, je fais l’hypothèse que le comportement mécanique jusqu’à rupture des matériaux biologiques et la variabilité observée dans ces comportements, peuvent être expliqués par la structure observée à l’échelle inférieure. C’est pourquoi, mon approche méthodologique se base sur la mise en œuvre simultanée d’une caractérisation sous sollicitation mécanique macroscopique du tissu biologique et d’une observation microscopique de la microstructure de ce tissu. De plus, cette approche permet de développer des modèles de comportement structuraux que l’on peut envisager de personnaliser en fonction de physiologies spécifiques liées, au très jeune âge, au vieillissement, ou aux pathologies citées précédemment.

2.3. Résultats marquants sur la peau humaine

2.3.1 Première étude - Thèse de Clémentine Jacquemoud, 2003-2007

Avec l’appui du GDR 26107_{, j’ai proposé au CNRS et à l’INRETS, avec la collaboration de}

Michel Coret (LaMCoS), un sujet de thèse sur les membranes fibreuses ; et nous nous sommes rapidement orientés vers la peau du front pour la facilité de prélèvement et par cohérence avec le travail déjà réalisé sur la face (Autuori et al, 2006).

La méthodologie présentée ci-dessus a donc tout d’abord été mise en œuvre sur le derme humain, dans le cadre du master puis de la thèse de Clémentine Jacquemoud (MAS-11) (TH-3). Des essais de traction statiques et dynamiques sur des échantillons de peau du front, ont été couplés à une observation de coupes histologiques standards.

Le protocole d’essais de traction dynamique sur des échantillons de peau du front de quelques centimètres carré a été mis au point à partir d’un banc d’essai vertical. Un montage spécifique a été dévellopé afin de réaliser un essai de traction unidirectionnelle avec une vitesse initiale de déformation maîtrisée ; ce montage est illustré en Figure 2 . Dans cet essai, les mesures conventionnelles ont été complétées par une quantification de

7 _{GDR 2610 Recherches en biomécanique des chocs, 2003-2010, financé par le GIE PSA-Renault,}

champ de déformation 2D par corrélation d’images numériques (CIN). Ces essais menés sur la peau ont permis de mettre en évidence l’hétérogénéité du champ de déformation en surface de l’échantillon soumis à une traction unidirectionnelle et de quantifier une déformation ultime locale.

Figure 2 Montage de traction dynamique sur échantillon de peau humaine

L’observation de la structure microscopique des échantillons a été réalisée avant et après essai. L’analyse du réseau de fibres de collagène des échantillons testés, a été réalisée sur des coupes histologiques prélevées dans un plan formé par la normale à la surface de la peau et la direction de chargement en traction. Le principe de quantification de l’orientation privilégiée des fibres consistait à mesurer la proportion des aires des faisceaux de fibres situés dans le plan de la coupe par rapport à celles des faisceaux de fibres positionnés perpendiculairement au plan de la coupe (Figure 4 ).

La Figure 5 illustre la comparaison entre les directions privilégiées des faisceaux de fibres de collagène, en termes de densité de fibres ainsi obtenue, et les directions mécaniques privilégiées, en termes de module d’Young. On observe une bonne adéquation des directions privilégiées structurales et mécaniques pour 3 sujets sur les 4 analysés.

L’observation des coupes histologiques des zones de rupture des échantillons, a permis aussi d’associer différents mécanismes de rupture et différentes propriétés mécaniques, à des structures de fibres de collagène d’orientations privilégiées différentes.

Les premiers résultats obtenus à l’issu de cette étude sur la peau humaine étaient encourageants mais les méthodologies mises en œuvres méritaient d’être améliorées. Le montage de l’essai de traction dynamique adapté au banc vertical existant ne permettait pas de maîtriser la vitesse de déformation de l’échantillon durant tout l’essai, et les mesures d’efforts étaient très bruitées pas des vibrations du montage. Par ailleurs, la mise en œuvre de la mesure de champ de déformation 2D était relativement complexe du fait de l’utilisation d’une caméra couleur de génération assez ancienne et de résolution effective assez limitée (768 x 512 interpolé à 1536 x 1024). Enfin, la méthode d’analyse quantitative de la structure fibreuse du derme était limitée car peu automatisée, appliquée à un seul plan de coupe histologique et à peu d’échantillons.

Figure 3 Mesure de champ de déformations par CIN. Peau humaine en traction uniaxiale dynamique (D’après Jacquemoud et coll., 2007)

Figure 4 Première analyse de la microstructure du derme (d’après Jacquemoud, 2007)

Figure 5 Comparaison des directions de fibres de collagène privilégiées pour le derme, indiquées par les densités (en haut) et les modules d’Young (en bas) (d’après Jacquemoud, 2007)

2.3.2 Collaboration dans le cadre du projet Ulysses, 2008-2012

L’étude des propriétés mécaniques et structurales du derme s’est poursuivie dans le cadre d’une collaboration avec l’équipe de Michael Gilchrist du département de Mécanique de l’University College de Dublin. Cette collaboration était formalisée par un projet de recherche dit « Projet Ulysses » 8_{, porté, au LBMC, par Mélanie Otténio.}

8 _{Projet Ulysses : Projet de recherche financé par le programme Ulysses 2008, partenariat Hubert Curien}

L’objectif de ce projet était de mettre en relation la microstructure et la résistance à rupture de la peau en vue d’applications dans le domaine de la médecine légale. Il s’agit d’apporter un outil d’expertise quantitatif aux médecins légistes pour évaluer le niveau de violence des agressions par arme blanche à partir de l’autopsie de la victime et de la description anatomique des directions privilégiées de la peau, appelées lignes de Langer.

Dans ce projet la caractérisation mécanique de la peau s’est poursuivie avec des essais de traction unidirectionnelle quasi statique sur la peau du dos (Ni Annaidh et coll., 2011) et un effort particulier a été réalisé pour l’analyse de la microstructure du réseau de fibres de collagène dans le derme (Ni Annaidh et coll., 2012).

Compte tenu de l’épaisseur du derme, la structure du réseau de fibres de collagène doit être analysé en 3D ; hors, la réalisation de coupes histologiques réduit l’observation au 2D. Pour obtenir une information plus complète, nous avons planifié l’observation de la microstructure dans 3 plans perpendiculaires du derme sur 3 biopsies contigües (Figure 6 ). Par ailleurs, l’expertise d’anatomo-pathologistes irlandais a permis de choisir une méthode de coloration optimale (coloration de Van Gieson), en vue d’une identification automatique du réseau de fibres de collagène, par des méthodes d’analyse d’images relativement simples. La quantification des directions privilégiées du réseau de collagène dans le plan tangentiel à la surface de la peau a permis de révéler la correspondance entre la direction des lignes de Langer et la bissectrice des 2 directions privilégiées du réseau de fibres de collagène.

Figure 6 Analyse de la microstructure du derme réalisé par Ashling Ni Annaidh, dans le cadre du projet Ulysses. a) zone d’intérêt sur coupe

histologique, coloration de Van Giessen, grandissement x5, surface d’analyse de 3.75 mm², b) après binarisation, c) après érosion, d) après identification des faisceaux de fibres, e) après sélection des faisceaux de fibres, f) après schématisation des faisceaux de fibres par des ellipses, (d’après Ni Annaidh et coll., 2012)

Assez récemment, la mesure de champ par CIN a été largement améliorée grâce à de nouveaux équipements au LBMC : d’une part, des caméras de nouvelle génération (PHOTRON SA3, 1024*1024) et d’autre part, un logiciel de CIN 3D surfacique (VIC3D®, Correlated Solutions). De plus, des essais de traction plus rapide (2m/s) ont pu être mis en œuvre sur une nouvelle machine hydraulique (INSTRON® 8802). Les premiers résultats de ces essais sont illustrés Figure 7 ; on remarque la meilleure qualité du mouchetis et des images par rapport à la Figure 3 .

Figure 7 Traction unidirectionnelle à 2m/s sur peau humaine, déformation de Green Lagrange principale

2.4. Résultats marquants sur la capsule de Glisson

A l’issu de la thèse de Clémentine Jacquemoud, j’ai proposé un sujet de master sur la caractérisation mécanique des tissus hépatique en collaboration avec Michel Coret et Alain Combescure, puis nous avons soumis un projet de thèse à la région Rhône-Alpes9_.

Les travaux de caractérisation mécanique sur la capsule de Glisson ont ainsi débuté dans le cadre du stage de master d’Aline Brunon (MAS-9) et se sont poursuivis au cours de sa thèse (TH-5).

Dans un premier temps, des essais de traction unidirectionnelle ont été réalisés sur des échantillons composites composés de la capsule de Glisson et du parenchyme superficiel accolé. Deux raisons expliquent ce choix. D’une part, la capsule s’est avérée impossible à isoler du parenchyme sur le foie de porc et il était incontournable de réaliser un ensemble d’expérimentations préliminaires sur ce matériau. D’autre part, le maintien des conditions d’attache de la capsule sur le parenchyme superficiel permettait d’être plus représentatif de la disposition réelle de la capsule sur le foie.

Ces essais de traction quasi statique sur échantillons d’origine humaine et porcine ont permis d’observer les mécanismes de rupture de la capsule de Glisson et du parenchyme indépendamment comme le montre la Figure 8 . En faisant l’hypothèse de deux matériaux en parallèle et que la contribution des 2 matériaux est homogène jusqu’à la rupture, les propriétés à rupture de la capsule (contrainte et déformation ultimes) et du parenchyme superficiel (contrainte ultime) ont pu être quantifiées indépendamment. En particulier, comme cela avait été réalisé sur la peau humaine, la mesure de champ de déformation par CIN a permis de quantifier une déformation ultime locale de la capsule de Glisson (Figure 9 ).

Figure 8 Courbe de traction quasi statique caractéristique, obtenue sur échantillon de tissu hépatique superficiel humain (capsule + parenchyme) (d’après Brunon et coll., 2009)

Figure 9 Propriétés à rupture de la capsule hépatique, a) déformation longitudinale ultime, b) effort ultime par unité de largeur (d’après Brunon et coll., 2009)

A l’issu des essais de traction unidirectionnelle, nous nous sommes orientés vers des essais de gonflement pour caractériser la capsule de Glisson. D’une part, ce type de chargement permet de se rapprocher des conditions de sollicitations multiaxiales de la capsule qui conduisent à une lacération superficielle du foie ; d’autre part, des défauts de découpe du profil des échantillons de traction unidirectionnelle risquaient d’être à l’origine de la rupture de la capsule.

Le protocole développé permet de soumettre un échantillon de capsule de Glisson à une pression uniforme jusqu’à rupture. L’encastrement circulaire de l’échantillon conduit à un chargement quasi équiaxial (Figure 10 ). La pression est pilotée de façon manuelle et mesurée par un capteur de pression standard. L’essai est filmé par 2 caméras (Dalsa, 1400x1600) à 50Hz et le champ de déformation à la surface de l’échantillon est calculé par stéréo corrélation d’images numériques (SCIN) (Figure 10 ).

Déplacement (mm) Ef fo rt ( N ) Rupture de la capsule Rupture du parenchyme

Figure 10 Essai de gonflement sur capsule hépatique humaine, a) mise en place de l’échantillon, b) images de l’échantillon sous chargement, c) altitude des points de la capsule calculée par SCIN (d’après Brunon et coll., 2011a)

Figure 11 Essais de gonflement sur capsule hépatique, champs de déformations mesurés par SCIN (d’après Brunon et coll., 2011a)

Le champ de déformation calculé montre que le chargement en déformation n’est pas parfaitement équiaxial. En effet, la condition aux limites d’encastrement n’est pas parfaitement assurée par le montage.

Par ailleurs, le calcul du champ de déformation a permis de quantifier une déformation ultime. Sur 10 échantillons, on obtient une déformation principale de Green Lagrange ultime égale à 50.5%±10.8% (n= 10.)(Figure 12 ).

Figure 12 Gonflement de la capsule de Glisson, évolution de la déformation principale de Green-Lagrange autour d’une fissure (d’après Brunon et coll., 2011a)

2.5. Résultats marquants sur le parenchyme hépatique

Les essais de traction unidirectionnelle réalisés sur des échantillons composites composés de la capsule de Glisson et du parenchyme superficiel accolé ont permis de mesurer un module élastique, une contrainte et une déformation ultime pour un ensemble d’échantillons humains et porcins, frais et congelés. Les résultats de ces essais relatifs au parenchyme sont illustrés en Figure 13 . Un mouchetis aléatoire ne pouvant être maintenu sur le parenchyme, à cause de l’extrusion du sang au cours du chargement, nous n’avons pas mesuré de déformation ultime locale par CIN.

Figure 13 Contrainte et déformation longitudinale ultimes mesurées sur le parenchyme hépatique (d’après Brunon et coll., 2011b)

Une série d’observations histologiques a été réalisée sur le parenchyme hépatique humain et porcin. La différence de microstructure du parenchyme hépatique d’origine humaine et porcine est connue : chez le porc, les lobules sont mieux délimités par le tissu conjonctif que chez l’humain (Figure 14 a &b). Par ailleurs, les observations réalisées dans la zone de rupture des échantillons ont montré une différence de mécanisme de rupture des parenchymes hépatiques humain et porcin. Compte tenu de la forte délimitation des lobules chez le porc, la rupture du parenchyme se produit par décohésion des lobules hépatiques et leur intégrité est préservée; chez l’humain, cette rupture a lieu au sein même des lobules (Figure 14 b & c).

Déformation ultime (%) Humain 16.4 ± 3.9 % (n = 18)

Porcin 15.8 ± 3.5 % (n = 19)

Contrainte ultime (kPa) Humain 60 ± 22 kPa (n = 28)

a) b) c)

Figure 14 Coupes histologiques de parenchyme hépatique dans une zone de rupture a) localisation des coupes sur l’échantillon de traction b) parenchyme hépatique porcin, d) parenchyme hépatique humain (d’après Brunon et coll., 2011b)

2.6. Synthèse - Discussion

La mesure de champs de déformation par CIN a permis d’une part d’enrichir les données expérimentales acquises au cours de chargements simples et d’autre part de s’affranchir de certaines difficultés expérimentales. Cette technique permet d’obtenir une information locale lorsqu’on ne maitrise que des paramètres globaux de la sollicitation du matériau. Cette information locale mesurée en un grand nombre de points de la surface du matériau permet de quantifier l’hétérogénéité de comportement du matériau et de quantifier des déformations ultimes dans les zones de rupture. La mesure de champ de déformation permet de s’affranchir d’un certain nombre d’hypothèses sur la sollicitation qui ne sont pas faciles à assurer, en particulier sur les tissus biologiques, comme l’encastrement ou la traction unidirectionnelle. Les premières mesures de champ de déformations par CIN ont été réalisées sur des surfaces supposées planes d’échantillons de peau et de tissus hépatiques superficiels soumis à de la traction uniaxiale. L’utilisation de la stéréo corrélation d’images (SCIN) a permis de simplifier et de rendre plus complète la mesure de champs de déformation lors d’essai de traction unidirectionnelle en supprimant les contraintes d’alignement exigées pour la CIN plane et en mesurant les déplacements hors plans qui peuvent apparaitre avec le flambement de l’échantillon. Par ailleurs, la SCIN nous a permis d’envisager des chargements plus complexes comme le gonflement de la capsule hépatique. Cependant, la qualité des résultats de CIN plane ou 3D surfacique nécessitent de réaliser des mouchetis aléatoires et des images de qualité. Un effort particulier a dû être fait pour développer le savoir-faire du LBMC dans ce domaine, en particulier pour le cas typique du

gonflement de capsule qui présente un champ d’observation petit et d’assez grands déplacements hors plan.

Pour l’analyse structurale, l’histologie standard reste le moyen d’observation de la structure des tissus biologiques mous, le plus accessible. La préparation de coupes histologiques est très répandue mais elle nécessite un certain savoir-faire. D’une part, les blocs de paraffine et les coupes doivent être réalisés avec soin pour assurer l’identification des directions et positions du plan d’observation par rapport aux directions des essais mécaniques par exemple. D’autre part, le protocole de coloration des coupes doit être choisi et réalisé aussi avec soin ; il doit permettre de visualiser avec un très bon contraste uniquement la structure d’intérêt.

L’utilisation de coupes histologiques limite l’observation au 2D. La superposition des coupes pour une reconstruction 3D a été envisagée sur la peau mais cela représente un travail énorme et ne peut être réalisé sur un nombre suffisant d’échantillons. D’autre part, l’observation de la structure par une méthode invasive nécessite un prélèvement dédié qui ne peut être que contigu à l’échantillon testé. L’observation directe de l’échantillon testé ne peut donc être réalisée qu’à posteriori.

Les données expérimentales acquises sur les membranes fibreuses (derme et capsule de Glisson) ont été utilisées pour alimenter des modèles de comportement de membranes fibreuses.

Dans le cadre de la collaboration avec le LaMCoS sur la peau humaine et sur la capsule de Glisson, un modèle à rupture de membrane fibreuse a été développé et implémenté sous Abaqus. Ce modèle endommageable est basé sur une homogénéisation du comportement macroscopique à partir d’une distribution orientée de fibres hyper élastiques fragiles. Il a été associé aux essais de gonflement de la capsule de Glisson pour l’identification de ses propriétés.

Dans le cadre de la collaboration avec UCD, le modèle de Gasser-Ogden-Holzapfel a été utilisé pour l’indentification des propriétés de la peau.

Concernant cette problématique de prédiction de lésions des organes mous, mon travail s’intègre dans celui d’un groupe de chercheurs de l’équipe biomécanique des chocs du LBMC (Philipe Beillas, Stéphane Nicolle, Mélanie Otténio), qui couvre différentes échelles d’observation, de la cellule au corps entier. Par ailleurs, mon travail se rapproche aussi de recherches sur les matériaux biologiques et leurs substituts, menées dans différents

laboratoires lyonnais (CREATIS, MATEIS, LaMCoS, INSERM U1033) pour des applications différentes. Mes travaux font aussi appel à des techniques et moyens existants à Lyon (la plateforme ANIPATH de l’UCBL pour l’histologie, le Centre Commun de Quantimétrie de l’UCBL pour l’imagerie).

L’ensemble de ces travaux a pu être mené grâce au soutien financier du GDR2610 Biomécanique des chocs, de la région Rhône Alpes (allocation de thèse, fonctionnement, du CNRS (allocation de thèse), de l’INRETS, puis IFSTTAR (fonctionnement dans le cadre des actions spécifiques ECHO et µFib3D, allocation de thèse).

2.7. Perspectives

Dans les recherches présentées ici, la construction des modèles de comportement à rupture des membranes fibreuses s’est limitée jusqu’à présent à la modélisation des fibres de collagènes. Pour le derme et la capsule de Glisson, elles sont un constituant majeur pour expliquer le comportement mécanique, mais la modélisation de l’arrangement et du comportement mécanique des autres constituants (la substance fondamentale et les autres fibres) doit être considérée. Par ailleurs, l’arrangement réel des fibres de collagènes est plus complexe que celui schématisé par des fibres longues orientées dans un plan et il évolue au cours du chargement. Afin de quantifier de façon plus détaillée l’arrangement du réseau fibreux du derme et de la capsule de Glisson, l’utilisation de techniques d’observations différentes s’avère nécessaire. La microscopie confocale ou la microscopique biphotonique pourrait permettre une observation 3D plus aisée des fibres du derme ou de la capsule de Glisson. Une première observation des fibres de collagène dans la capsule de Glisson a été réalisée en microscopie confocale ; pour une meilleure identification des fibres de collagène, celles-ci ont été colorées par une technique immuno-histo-chimique (Figure 15 ). Par ailleurs, l’observation de l’évolution de l’arrangement des fibres au cours du chargement serait très intéressante, tout particulièrement dans les phases d’endommagement et de rupture. La compatibilité des techniques d’observations microscopiques avec un chargement mécanique contrôlé doit être étudiée.

Concernant le parenchyme hépatique, les données expérimentales acquises permettent de mettre en œuvre un modèle de comportement élastique non linéaire fragile pour le parenchyme superficiel. La quantification de la variabilité des propriétés micro structurales du parenchyme superficiel permettrait une première personnalisation des propriétés mécaniques. De la même façon, une analyse de la variabilité de la microstructure du

parenchyme en fonction de sa localisation dans le foie devrait permettre d’améliorer la modélisation de l’organe complet.

Figure 15 Observations de la microstructure du réseau de collagène de la capsule hépatique humaine (marquage par anticorps Alexa 488, microscope Leica TCS-SP2)

Pour mener à bien ces recherches sur la microstructure des tissus conjonctifs fibreux et du parenchyme hépatique, en relation avec leur comportement mécanique à rupture, j’ai activement contribué au montage de plusieurs projets et sous projets en vue d’obtenir des moyens humains et financiers. En 2012, un financement spécifique de l’IFSTTAR a été alloué au projet µFib3D que j’ai proposé, avec Mélanie Otténio, pour l’évaluation de différentes techniques d’observation microscopique pour la caractérisation structurale et mécaniques des membranes conjonctives fibreuses. Par ailleurs, un projet national impliquant des équipes universitaires lyonnaises (LBMC et LaMCos), strasbourgeoise (équipe de Rémy Willinger) et marseillaises (Laboratoire de Biomécanique Appliquée (LBA) et Hôpitaux de Marseille) ainsi qu’un industriel (Intrasense), a été soumis en réponse à l’appel d’offre « projets blancs » de l’ANR.

3. Thème 2 : Influence de l’âge sur la vulnérabilité du thorax lors de

chargements dynamiques

3.1. Contexte et travaux existants

3.1.1 Accidentologie

En 2003, Lafont et Laumon ont montré l’influence de l’âge sur le risque de blessures graves ou fatales, à partir de l’analyse du registre des victimes d’accident de la voie publique du département du Rhône (60 000 victimes enregistrées de 2000 à 2003) (Lafont et Laumon, 2003). Une analyse plus récente du registre confirme l’accroissement du risque de blessures mettant en jeu le pronostic vital avec l’âge, et précise que les automobilistes de plus de 60 ans souffrent plus fréquemment de lésions thoraciques que les automobilistes plus jeunes. Si on considère des lésions au thorax moins graves, il est observé qu’il s’agit principalement de lésions osseuses : fractures de côtes et fractures du sternum, ces dernières étant fortement liées à des risques de contusion myocardique (Ndiaye et Chiron, 2009).

Ces analyses statistiques démontrent que malgré les améliorations technologiques apportées aux véhicules pour mieux protéger le thorax des occupants, en particulier le système airbag/ceinture avec prétensionneur et limiteur d’effort, les résultats ne sont pas encore suffisants. Une voie d’amélioration serait que les nouveaux dispositifs de protection des usagers d’automobiles aient une action personnalisée pour protéger de façon optimale l’ensemble de la population, en particulier les personnes plus âgées.

3.1.2 Mécanismes et critères de blessures thoraciques

Depuis les années 70, de nombreux essais sur corps légués à la science ont été menés dans le but d’établir une corrélation entre la déflexion thoracique et la gravité des blessures. Les travaux de Kroell en 1971 ont permis d’établir d’une relation statistique entre la compression (déflexion thoracique rapportée à la profondeur thoracique initiale) et la gravité de blessure aux thorax en choc frontal (Kroell et coll., 1971). La compression thoracique est devenue un critère de blessure réglementaire pour la prédiction des risques. Sur le mannequin règlementaire Hybrid III, la mesure de déflexion thoracique est réalisée sur un seul point du thorax, au milieu du sternum, et la valeur limite réglementaire a été définie sur la base des travaux de Mertz (Mertz et coll., 1991) : 50 mm de déflexion (22% de compression) pour un chargement avec ceinture.

Le critère basé sur la déflexion est directement lié aux risques de fractures des côtes (Kroell et coll., 1971), (Mertz et coll., 1991). Pour mieux estimer les risques de blessures des organes intra thoraciques, Lau et Viano ont proposé le « viscous criterion » basé sur la compression et la vitesse de déflexion (Lau et Viano, 1986). Selon les auteurs, ce critère doit être considéré pour des chargements générant des vitesses de déflexion entre 3 et 30 m/s, et par ailleurs ce critère est aussi mieux corrélé au risque de fractures osseuses. En dessous d’une vitesse de déflection de 3 m/s, Lau et Viano indiquent que la compression reste un bon critère pour la prédiction des risques de lésions des organes mous.

En 1998, l’analyse statistique d’une base de données d’accidents impliquant des limiteurs d’effort de ceinture (256 cas), a permis à Foret-Bruno et coll. (Foret-Bruno et coll., 1998) d’établir des relations entre le risque de fractures des côtes et l’effort ceinture, et ceci pour différentes classes d’âge. Les auteurs ont établi qu’une limitation de l’effort de ceinture épaule à 4 kN permettait de protéger 95% de la population de blessures graves (AIS3+ selon (AIS, 1990)).

Plus récemment et en vue d’améliorer la prédiction des risques de blessures thoraciques en choc frontal, en particulier pour divers mode de chargement, plusieurs équipes ont réalisés des expérimentations sur corps légués à la science pour décrire les mécanismes de la réponse au choc de la cage thoracique, (Kent et coll., 2003) (Kent et coll., 2005) (Kent et coll., 2006) (Kent, 2008) (Kent et coll., 2009) (Gabrielli et coll., 2009) (Vezin et Berthet, 2009).

Sur ce sujet, les auteurs s’accordent à dire que la déformation de la cage thoracique sous un chargement antéro postérieur se décompose en rotation des côtes par rapport aux vertèbres et au sternum, et en déformation des côtes. De plus, l’hypothèse selon laquelle une cage thoracique présentant des côtes initialement plus horizontales par rapport aux vertèbres, serait soumise à plus de déformation des côtes lors d’un chargement antéro postérieur, a été vérifiée par à l’aide d’un modèle en éléments finis par Vezin and Berthet, (Vezin and Berthet, 2009). L’ensemble de ces auteurs font l’hypothèse que les risques de fractures de côtes sont directement liés au niveau de déformation des côtes lors d’un chargement antéro postérieur du thorax (Vezin and Berthet, 2009), (Kent et coll., 2005).

3.1.3 Influence de l’âge

Il est bien établi que la tolérance à la blessure du thorax diminue au fur et à mesure que l’âge augmente (Kent et coll., 2003). Une personne âgée sera d’autant plus susceptible de souffrir de blessures importantes au thorax, principalement des fractures multiples de côtes, lors d’un accident de voiture.

Pourtant l’âge est un paramètre global et il semble important de définir son influence sur les paramètres intrinsèques expliquant la réponse mécanique du thorax aux chargements dynamiques : les propriétés des tissus biologiques (os, cartilage), la raideur et les butées articulaires costo-vertébrales et costo-chondrales, le morphotype du thorax (courbures du rachis, orientation des côtes).

La diminution de la masse osseuse avec l’âge est un processus universel et de manière générale, la résistance mécanique des tissus biologiques diminue à partir de 30-40 ans (Yamada, 1970), (Carter and Spengler, 1978), (Cowin, 2001). Comme l’illustre la synthèse de la littérature réalisée par (Zhou et coll., 1996), on observe une diminution de la limite à la rupture en traction de l’os cortical avec l’âge (Figure 16 ). De même, une diminution de la limite de rupture en traction du cartilage costal hyalin a été observée (Yamada, 1970). Par ailleurs, la perte osseuse modifie la structure des pièces osseuses. Plus spécifiquement, la diminution de l’épaisseur de cortical dans les sections de côtes lorsque l’âge augmente est clairement observée (Takahashi et Frost, 1966), (Kemper et coll., 2007). L’occurrence de fractures de côtes et de lésions au niveau des cartilages est directement liée à ces caractéristiques structurales et tissulaires altérées au cours du vieillissement.

Concernant l’influence de l’âge sur le morphotype du thorax, il est admis que la forme du thorax s’arrondie avec l’âge (Oskvig, 1999), (Gayzik et coll., 2008). D’une part, comme l’ont quantifié Gayzik et coll., la cyphose du rachis augmente (Gayzik et coll., 2008). D’autre part, comme décrit par Massoulie et Hammon (Massoullie et Hamon, 2002), le vieillissement s’accompagne d’une diminution de la raideur élastique des poumons, qui déplace la position d’équilibre de la cage thoracique vers une position d’inspiration chez les personnes âgées. Dans cette position, les côtes sont plus horizontales et l’angle du diaphragme est plus ouvert. Kent a quantifié cet effet de l’âge sur le relèvement des côtes dans le plan sagittal (Kent et coll., 2005), (Kent et coll., 2003).

On imagine facilement que ces modifications du morphotype du thorax avec l’âge seront directement liées aux risques de blessures. Si on se réfère aux observations sur les mécanismes de déformation de la cage thoracique sous un chargement antero postérieur (Vezin and Berthet, 2009), (Kent et coll., 2005), chez un individu avec une cage thoracique verticale, généralement un sujet jeune, ce chargement produira à la fois une rotation des côtes et de la déformation osseuse. Chez des personnes ayant une cage thoracique horizontale, généralement des sujets âgés, le chargement agit directement dans le plan des côtes et implique principalement une déformation osseuse (Figure 17 ). Ainsi, le relèvement

des côtes lié à l’âge implique une augmentation de la rigidité structurale de la cage thoracique et une diminution de la tolérance à la déflection thoracique. Ce dernier critère est directement corrélé à la gravité des blessures (Kroell et coll., 1971).

Figure 16 Limite à rupture de l’os cortical en fonction de l’âge. (Zhou et coll., 1996).

Figure 17 Mécanismes de

déformation du thorax en fonction de l’âge (Kent et coll., 2005)

3.1.4 Influence du genre et de l’indice de masse corporelle sur les blessures au thorax

La perte osseuse due au vieillissement est plus prononcée chez la femme, en particulier au moment de la ménopause, et peut s’avérer pathologique (ostéoporose). La modification de la structure des côtes et la diminution des propriétés à rupture des tissus osseux sont donc plus marquées chez la femme et ainsi les risques de fractures osseuses du thorax plus importants. A notre connaissance, l’influence du genre sur le morphotype du thorax n’a pas été quantifiée.

Par ailleurs, l’obésité (Indice de Masse Corporelle (IMC) supérieur à 30), a été associée à un risque accru de mortalité et un risque accru de blessures graves au thorax (fractures de côtes et contusions pulmonaires) (Mock et coll., 2002). De même, une relation significative entre le relèvement des côtes – et donc un risque accru de fractures de côtes - et l’IMC a été identifiée (Kent et coll., 2005), (Gayzik et coll., 2008). Une étude a mis en évidence une cinématique défavorable chez les sujets à fort IMC : plus grande avancée de la tête et du pelvis, rotation antagoniste du torse, grande déflection thoracique ; sans pour autant que

cela se traduise dans l’étude par des blessures plus graves (Forman et coll., 2009). Toutefois une étude plus récente montrerait des résultats différents : l’avancée pelvienne couplée avec la rotation antagoniste du torse impliquerait un glissement de la ceinture vers la partie la plus vulnérable du thorax et donc un risque aggravé de blessures graves au thorax (Kent et coll., 2010). L’influence de la corpulence sur le risque de blessure thoracique reste donc à éclaircir.

3.1.5 Modélisation personnalisée par EF

Comme déjà évoqué en introduction, la modélisation par EF du corps humain présente des potentiels intéressants pour la simulation d’impact et la prédiction de blessures.

Tout d’abord, ils offrent la possibilité d’évaluer des paramètres mécaniques locaux dans la structure anatomique humaine et potentiellement de définir des critères de lésions locaux. De façon générale, les premiers modèles de corps complet existants (HUMOS, THUMS, H-Model,) ont été validés pour la prédiction des lésions squelettiques dans des configurations de chocs diverses (Behr et coll., 2003)( Iwamoto et coll., 2002). Des modélisations détaillées de segments corporels ont permis de progresser dans la prédiction de lésions plus complexes. On peut citer le cas de la tête (Takkounts et coll., 2003) (Deck et coll., 2008)(Marjoux et coll., 2010), de l’abdomen (Ruan et coll., 2005), ou de la jambe (Arnoux et coll., 2008). Au niveau du thorax, la prédiction des fractures osseuses à l’aide d’un modèle en EF est basée sur des critères de rupture en contrainte ou en déformation et ce principe permet de prédire assez fidèlement ce risque de lésions (Song et coll., 2009) (Li et coll., 2010).

D’autre part, les modèles en EF offrent la possibilité de représenter assez facilement une population variée en termes d’anthropométrie et de caractéristiques des tissus biologiques. Cependant, dans un contexte de prédiction des risques de blessures en cas de choc, l’analyse ne peut être totalement personnalisée et un niveau de schématisation pertinent des variabilités inter individus et intra individu doit être trouvé afin de cibler des catégories de population spécifiques. Le pré requis pour cette schématisation est la connaissance des paramètres explicatifs de la variabilité inter individu. Dans un second temps, la personnalisation des modèles pour représenter la variabilité doit être évaluée, en particulier, la sensibilité de la réponse du modèle en fonction de cette personnalisation doit être vérifiée.

Cependant, l’expérimentation sur corps légués à la science ne permet pas d’observer les variabilités inter individus de la population adulte normale dans la mesure où il s’agit de sujets âgés et ayant souffert la plupart du temps de pathologies lourdes.

3.1.6 Observations in vivo dans le domaine du choc

Dans le domaine du choc, hormis les expérimentations datant des premières études appliquées à la sécurité des transports (Armstrong et coll., 1968) qui apportaient des connaissances nouvelles sur la tolérance au choc du corps humain, les expérimentations in

vivo se justifient par rapport aux expérimentations in vitro pour analyser l’influence de la

physiologie sur la réponse à un chargement dynamique - tonicité musculaire (Patrick, 1981), (Backaitis et St-Laurent, 1986), rattrapage d’équilibre (Robert, 2006) – ou bien pour évaluer la réponse de populations spécifiques - enfants (Sandoz B. et coll., 2011), (Arbogast et coll., 2009a), personnes âgées.

Parmi ces expérimentations récentes, celles qui sollicitent le thorax sont basées soient sur des chargements thoraciques en position allongée – de type massage cardiaque (Neurauter et coll., 2009), (Arbogast et coll., 2009b), ou kiné respiratoire (Bermond et coll., 2006) (Sandoz et coll., 2011), soit en décélération arrière (Dehner et coll., 2008) ou frontales sur chariot avec ceinture (Arbogast et coll., 2009a). Pour les décélérations frontales sur chariot avec ceinture, la sévérité de décélération (décélération maximale et durée) est choisie en deçà des décélérations enregistrées sur les attractions du type auto-tamponneuses (Arbogast et coll., 2009a).

3.2. Axes de recherche présentés et objectifs associés

Dans ce contexte et dans l’objectif d’étudier l’influence de l’âge sur la vulnérabilité du thorax lors de chargements dynamiques, je me suis orientée vers plusieurs axes de recherche :

- La caractérisation des propriétés mécaniques des côtes.

Mes connaissances sur le tissu osseux m’ont amenée à contribuer à la caractérisation de différentes pièces osseuses du squelette pour des segments corporels dont l’étude s’est avérée pertinente compte tenu de l’environnement scientifique, industriel et social : la face et le crâne (TH-1)(TH-4) et l’épaule (TH-2). Ces travaux ne sont pas décrits dans ce mémoire mais ils ont fait l’objet de plusieurs publications (ACLI- 7, ACLI- 9, ACLI- 11, ACLI- 13). C’est donc assez naturellement que j’ai contribué aux expérimentations récentes sur côtes isolées. Ce travail de caractérisation mécanique des côtes est à l’intersection de plusieurs projets du laboratoire : d’une part, un projet visant à mettre en relation les