Добірка наукової літератури з теми "Tissu mou – Structure – Propriétés mécaniques"

L’endommagement dans les tissus souples de l'annulus fibrosus est un phénomène multi-échelle complexe dû à un arrangement structural complexe du réseau de collagène à différentes échelles d'organisation hiérarchique. Une représentation constitutive entièrement tridimensionnelle, considérant la variation régionale de la complexité structurale, n'a pas encore été développée, pour estimer la mécanique multiaxiale de l'annulus jusqu'à la rupture. Dans la présente thèse de doctorat, un modèle, formulé dans le cadre de la mécanique non linéaire des milieux continues, est développé pour prédire l’endommagement et la rupture de l'annulus induits par la déformation sous des histoires de chargements multiaxiaux en considérant comme processus physique dépendant du temps à la fois les effets volumétriques induits chimiquement et l'accumulation de l’endommagement.Dans une première partie, un modèle basé sur la microstructure est proposé pour relier les caractéristiques structurales aux propriétés mécaniques intrinsèques et électrochimiques des tissus souples de l'annulus. Le modèle lamellaire/interlamellaire multicouche est construit en considérant les interactions effectives entre les couches adjacentes et la contrainte volumétrique induite chimiquement. La comparaison modèle/expériences démontre que l'évaluation de la réponse globale dépendante du temps implique de considérer simultanément la contrainte, le changement volumétrique et la caractéristique auxétique en relation avec les caractéristiques structurales.Dans une deuxième partie, le modèle est enrichi en considérant la structure hiérarchique des tissus souples depuis les fibrilles de collagène de taille nanométrique jusqu'aux fibres de collagène orientées de taille microscopique. Le processus stochastique d'événements progressifs d’endommagement, opérant à différentes échelles de la phase solide, est introduit pour la matrice extracellulaire, les fibres microscopiques et le réseau de fibrilles nanométriques. Les effets directionnels sur la réponse mécanique et la rupture de l’annulus sont mis en évidence en relation avec le mode de chargement externe, les caractéristiques de la structure, les événements d'endommagement et l'hydratation.Dans une troisième partie, le modèle est développé en considérant la variation régionale de l'organisation structurale complexe du réseau de collagène à différentes échelles pour prédire l’endommagement multiaxial anisotrope régional du disque intervertébral. Après identification du modèle à l'aide de lamelles simples extraites de différentes régions du disque, le caractère prédictif du modèle est vérifié pour divers modes de chargement élémentaires multiaxiaux représentatifs du mouvement de la colonne vertébrale. Les étirements dans les directions circonférentielle et radiale jusqu'à la rupture ont servi à vérifier les capacités prédictives du modèle pour les différentes régions. Les résultats du modèle sous cisaillement simple, étirement biaxial et compression en déformation plane sont également présentés et discutés.Dans une quatrième partie, un modèle de disque humain complet est construit afin d’examiner la mécanique hétérogène dans le cœur du disque. Les champs d'endommagement au sein du disque sont analysés, sous compression axiale, torsion axiale et chargements combinés, afin d’évaluer les zones où le risque de rupture est le plus élevé
The damage in annulus fibrosus soft tissues is a complex multiscale phenomenon due to a complex structural arrangement of collagen network at different scales of hierarchical organization. A fully three-dimensional constitutive representation that considers the regional variation of the structural complexity to estimate annulus multiaxial mechanics till failure has not yet been developed. In the present PhD dissertation, a model, formulated within the framework of nonlinear continuum mechanics, is developed to predict deformation-induced damage and failure of annulus under multiaxial loading histories considering as time-dependent physical process both chemical-induced volumetric effects and damage accumulation.In a first part, a microstructure-based model is proposed to connect structural features, intrinsic mechanics and electro-chemical properties of annulus soft tissues. The multi-layered lamellar/inter-lamellar annulus model is constructed by considering the effective interactions between adjacent layers and the chemical-induced volumetric strain. The model/experiments comparison demonstrates that the evaluation of the overall time-dependent response involves considering stress, volumetric change and auxetic feature simultaneously in relation to structural features.In a second part, the model is enriched by considering the hierarchical structure of the soft tissue from the nano-sized collagen fibrils to the micro-sized oriented collagen fibers. The stochastic process of progressive damage events operating at different scales of the solid phase is introduced for the extracellular matrix and the network of nano-sized fibrils/micro-sized fibers. The directional effects on annulus mechanics and failure are highlighted in relation to external loading mode, structure features, damage events and hydration.In a third part, the model is further developed by considering the regional variation of the complex structural organization of collagen network at different scales to predict the regional anisotropic multiaxial damage of the intervertebral disc. After model identification using single lamellae extracted from different disc regions, the model predictability is verified for various multiaxial elementary loading modes representative of the spine movement. The stretching along the circumferential and radial directions till failure serves to check the predictive capacities of the annulus model for the different regions. Model results under simple shear, biaxial stretching and plane-strain compression are further presented and discussed.In a fourth part, a full human disc model is constructed using the regional annulus model to examine the heterogeneous mechanics in the disc core. Damage fields in the disc are analyzed under axial compression, axial twist and combined loadings to assess the areas where the risk of failure is the highest

Les troubles de la statique pelvienne sont responsables de l'incontinence urinaire et fécale et du prolapsus ou « descente d'organes ». Le prolapsus correspond à une issue de tout ou partie des organes pelviens (vessie, vagin et ou rectum) à travers l'orifice vulvaire. Les troubles s'expriment à l'effort ou spontanément au repos. Cette pathologie fréquente représente un grave problème de santé public, bien qu'il ne s'agisse que d'une pathologie fonctionnelle. La physiopathologie est mal connue et les étiologies du prolapsus sont nombreuses et diversement intriquées en fonction des patientes et de leurs histoires cliniques. Il semble qu'il existerait une composante héréditaire, reliée aux pathologies du collagène et plus largement aux tissus conjonctifs et leurs faiblesses. Les modes de traitement des troubles de la statique pelvienne sont représentés par la kinésithérapie de rééducation pelvi-périnéale, la mise en place de pessaires ou la chirurgie. Les techniques de cure chirurgicale sont multiples et encore mal évaluées, elles tendent à suspendre la colonne utero vaginale et à remplacer les fascias conjonctifs altérés. Lors d'une première étape, nous avons évalué la faisabilité de la mise au point d'un modèle mécanique de cavité vaginale adapté à chaque situation et à chaque patiente, ce modèle est réalisable et doit pouvoir constituer une aide précieuse pour la gradation objective pré et post opératoire des prolapsus. L'objectif de ce travail est de faire évoluer et de préciser les différentes étapes de mise au point du modèle informatique et mécanique de cavité pelvienne. Nous avons mené plusieurs axes de recherche pour le développement de ce modèle de cavité « vaginal » et par extension de cavité « pelvienne ». Le modèle géométrique de cavité pelvienne est spécifique de chaque patiente, il est développé à partir d'IRM pelviens dynamiques et statiques. Les images sont obtenues dans les trois axes spatiaux. Les coupes sont jointives et les plus fines possibles pour un minimum de perte d'information et un temps de reconstruction et de calcul acceptable et compatibles avec le matériel informatique disponible. Les organes pelviens reconstruits sont la vessie, le rectum, le vagin et l'utérus. Le logiciel Artimed® permet de définir un volume avec épaisseur de paroi à partir du contour manuel de chaque organe pelvien sur chaque coupe d'IRM. Le logiciel permet une fusion de chaque surface contourée pour cette reconstruction. Les organes sont géométriquement assemblés en respectant les rapports anatomiques. Cette reconstruction conserve les coordonnées DICOM de chacun des points de la reconstruction géométrique effectuée. Le modèle éléments finis est construit à partir de géométrie issue de l'IRM, sur le logiciel KATIA®. Les points de coordonnées tridimensionnelles sont épurés et permettent la facettisation de la géométrie volumique initiale. Cette facettisation informatique permet d'obtenir un ensemble de trois volumes avec épaisseur. Les conditions aux limites du modèle sont déduites des connaissances anatomiques, physiologiques, physiopathologiques et mécaniques. Chaque point de ce modèle peut être pondéré de caractéristiques mécaniques spécifiques. Les caractéristiques mécaniques des tissus pelviens correspondent aux propriétés mécaniques des volumes du modèle informatique. Ces propriétés mécaniques des tissus concernent le vagin, la vessie et le rectum. Les tissus sont obtenus sur patientes nécessitant un traitement chirurgical de leur prolapsus, après consentement éclairé ou sur cadavre ayant fait don de leur corps à but scientifique. Notre protocole de mesure des propriétés mécaniques des tissus mous et donc des tissus pelviens à été mis au point à partir de tissu de vagin de brebis. Les mesures exhaustives ont permis d'établir un protocole strict de mesures objectives dans les conditions requises et en faisant abstraction des éléments de mesure non nécessaire. Les échantillons de tissu humain collectés ont bénéficié, selon le protocole de mesure, de tests répétés et exhaustifs. Cette partie du travail a permit d'approcher les lois de comportement du tissu vaginal sain et pathologique et de réaliser une première évaluation du comportement mécanique de la vessie et du rectum. Nous avons développé et modifié la sonde de mesure de pression intra vaginale que nous avons initialement mit au point à partir des sondes de mesure de manométrie oesophagienne. Cette sonde permet des mesures de contraintes au niveau de la cavité vaginale au cours d'efforts de toux, et de poussée. La sonde a été perfectionnée, les capteurs hydriques remplacés par des capteurs électroniques et la chaîne de mesure informatisée est simplifiée pour une ergonomie de tests plus aisée. Nous avons effectué un retour sur modèle physique de cavité pelvienne mit au point spécifiquement pour nous permettre une évaluation et un contrôle des grandeurs mesurées, un étalonnage de la sonde et des vérifications des mesures après modifications cliniques des réplétions et modifications des localisations d'organes. Nous avons également mené une étude visant à évaluer les caractéristiques mécaniques des tissus de renforcement chirurgicaux des fascias pelviens déficients. Nous avons étudié les propriétés intrinsèques des mèches, les modifications apportées par la cicatrisation et les moyens de maintien tissulaire de ces prothèses posées sans tension au travers des tissus. L'étude des caractéristiques et comportement des prothèses synthétiques in vivo ont étés réalisées sur modèle animal et au cours de dissections de cadavres. Cette partie du travail consiste dans un premier temps à comprendre les phénomènes physiques, mécaniques en jeu dans la cure chirurgicale de prolapsus par interposition de prothèses, comprendre les échecs, les défauts de tolérance et les possibilités techniques à mettre en oeuvre pour améliorer les résultats cliniques. Dans un second temps cette étude permettra de définir un cahier des charges des prothèses idéales en corrélation avec l'étude des propriétés des tissus pelviens. Dans un troisième temps, les notions de réparation par renforcement prothétiques pourront être intégrées au modèle informatique de cavité pelvienne en simulations de traitement. Ces simulations permettront d'envisager plusieurs thérapeutiques chirurgicales, selon la voie d'abord, selon différentes techniques ou différentes prothèses. Le modèle devra également permettre d'évaluer les étages de la statique pelvienne à traiter immédiatement et permettra une évaluation secondaire du déséquilibre engendré par la cure chirurgicale et des préventions à apporter. Une dernière voie de travail nous permet d'envisager une corrélation entre les propriétés mécaniques des tissus et les qualités des constituants comme le collagène. Cette étude est réalisée à partir de prélèvements de tissus au cours d'interventions pour cure de prolapsus, après consentement éclairé

Cette thèse s’inscrit dans la démarche de caractérisation mécanique des tissus mous du vivant in situ et in vivo par un dispositif de succion utilisable en salle opératoire. L’objectif est de fournir au chirurgien un outil simple, efficace, et si possible de coût réduit, pour estimer les propriétés mécaniques spécifiques au patient et en temps réel afin guider leur décisions. Malheureusement, les structures biologiques sont souvent hétérogènes due à leur composition (peau, muqueuse, fibres musculaires, matière adipeuse, fascias, vascularisation, …). En particulier, ces structures biologiques présentent un gradient de propriétés mécanique dans la profondeur. Il s’agit donc de répondre à un problème complexe, d’autant plus qu’il est nécessaire de proposer une méthode non destructive adaptée à une mesure in situ et in vivo en salle opératoire.Parmi les procédés de caractérisation mécanique rencontrés, les méthodes basées sur la succion sont courantes. Ce procédé de mesure consiste à aspirer un volume de tissu mou à travers une ouverture en mesurant simultanément la pression et la hauteur de tissu dans l’enceinte. Une procédure d’identification inverse est ensuite mise en place pour identifier les propriétés mécaniques du tissu. Cette mesure de hauteur étant généralement effectuée à l’aide d’une caméra, le design des systèmes rencontrés reste cependant délicat, en particulier pour respecter les contraintes d’encombrement et de stérilisation des systèmes.Au cours de ce travail, la méthode d’aspiration a été revisitée en remplaçant la mesure de hauteur par une mesure de volume. L’extrémité du dispositif d’aspiration se réduit maintenant à un simple tube : le système fourni est donc facilement stérilisable, le diamètre et la géométrie de l’ouverture peuvent être choisis en fonction des objectifs des mesures à effectuer. Il semble donc difficile d’imaginer un système plus simple, d’encombrement plus réduit et de coût inférieur à celui-ci.Plusieurs problématiques ont été étudiées autour de ce nouveau système :les précisions de mesures obtenues par volume ou, plus classiquement, par caméra ont été confrontées. Au bilan, la mesure de volume présente un ratio signal/bruit similaire ou inférieur aux mesures de volume obtenues par caméra. L’impact de différents paramètres expérimentaux a été évalué et quantifié, permettant d’optimiser la qualité des mesures.les résultats d’identification inverse ont été validés sur des échantillons en silicone. Leur matériau constitutif a été caractérisé pour référence en traction uniaxiale et par bulge test. Les modules de Young obtenus par identification inverse sur le test d’aspiration (calcul itératif par Elements Finis) montrent une sur-estimation de 7% au maximum avec les résultats des tests de référence. Ce résultat est une amélioration significative par rapport aux sur-estimations de 30% rencontrées dans la littérature.les caractéristiques du système ont été mises à profit pour mesurer directement l’épaisseur et les propriétés mécaniques de couches superficielles de tissus multicouches sans autre système de mesure. La preuve de concept a été effectuée expérimentalement sur un échantillon artificiel constitué de deux silicones différents. Au bilan, l’épaisseur de la couche supérieure a été identifiée avec une erreur inférieure à 4% , les modules de Young des deux matériaux avec une erreur inférieure à 8%. Ces résultats sont jugés très encourageants pour une future application de la méthode à des tissus du vivant.une méthode d’identification inverse des propriétés mécaniques en temps réelle a été développée. Cette procédure est basée sur une réduction de modèle et fournit également des indications sur la sensibilité de l’identification aux différents paramètres expérimentaux. L’utilisation de cette méthode d’inversion a montré une erreur d’identification de 10 et 12% par rapport aux valeurs de références sur les spécimens constitués de deux couches de silicones
In-vivo characterization of biological soft tissues is a key step toward patient-specific biomechanical simulation and planning of intra-operative assisted surgery. These tissues’ structures are usually highly heterogeneous due to the variety of their constituents (skin, mucosa, muscle fibers, fat, fascia, vascularization, etc.). In particular, their local mechanical properties may change with depth.Among various characterization techniques, aspiration method is a standard due to its simplicity: tissue is aspirated through a hole while measuring the negative pressure and the associated apex height. An inverse problem is then solved to identify the material mechanical properties. In the literature, the apex height was usually measured using a camera, which induced design difficulties, in particular regarding the required sterilization process for in-vivo measurements.This thesis aims at developing new practical aspiration techniques and inverse analyze techniques to deal with these challenges.First, the aspiration method is revisited, replacing the apex height optical measurement by the measurement of the aspirated tissue volume. In the proposed method the system head was reduced to a simple tube: sterilization becomes easy and the aspiration aperture diameter can be changed according to experimental requirements. The proposed system is thus probably among the simplest, lightest and most inexpensive devices one could achieve.Then, many studies are developed: (i) a comparison of this volume-based method with classical techniques based on optical measurements, (ii) the validation of the volume-based aspiration device and inverse identification on soft homogeneous synthetic materials, (iii) the development of a method for in-vivo identification of multi-layered soft tissues and its validation on two-layer synthetic samples, and (iv) a method for real-time inverse mechanical identification of constitutive materials using the aspiration results.The experimental signal-to-noise ratio in raw volume measurements obtained either optically or by the volume-based method were compared. The effects on the accuracy of various experimental parameters were investigated and quantified: the volume measurement was proved to present the same order or even better accuracy compared to optical measurements.To validate the inverse identifications using the volume-based aspiration method, silicone samples were then made and characterized using (1) aspiration, and, as references, two standard tests such as (2) uniaxial and (3) equibiaxial extension tests. Performing a Finite Element (FE) inverse identification on the experimental results provided Young’s moduli similar to classical tests with about 7% maximum overestimation for the silicones. This underlines a significant improvement of the measurement method accuracy compared to the literature (about 30% relative overestimation).In the proposed device, the aspiration aperture diameter can be easily changed. This feature was used to develop a new method to characterize the mechanical properties as well as the superficial layers’ thicknesses in multi-layer soft tissues. A proof of concept was experimentally validated on two-layer artificial soft silicone specimens. As a conclusion, the superficial layer thicknesses and the materials Young’s moduli were identified with a maximum error of 4 and 8%, respectively. Such results thus provide encouraging perspectives for the in-vivo characterization of two-layer anatomical structures such as skin and sub-dermal tissues.Eventually, a Design Of Experiment (DOE) method was applied to drastically decrease the computation time involved during the inverse identification step, which is a prerequisite for any use in a clinical routine. The identifications using the DOE method were compared with the reference characteristics of the investigated silicones and maximum errors of 10 and 12% were obtained for the homogeneous and two-layer samples, respectively

Ce travail présente une méthode de calcul rapide de déformations et de forces mécaniques destinée à la simulation d'applications chirurgicales. La simulation de chirurgie vise à offrir aux praticiens des outils leur permettant de pratiquer des entraînements intensifs et de pouvoir planifier avec précision certaines interventions. La conception de tels simulateurs nécessite de disposer de modèles géométriques et mécaniques précis des organes du corps humain, et d'algorithmes de calcul suffisamment rapides pour être capable d'utiliser ces modèles dans des conditions de temps réel. La plupart des simulateurs existants utilisent des modèles mécaniques extrêmement simples, basés sur les lois de l'élasticité linéaire. Or de nombreux résultats de biomécanique indiquent que les tissus biologiques se comportent selon des lois beaucoup plus complexes, incluant des effets non-linéaires et visco-élastiques importants. Pour cette raison, nous avons développé une méthode permettant le calcul rapide de déformations et de forces incluant des effets mécaniques non-linéaires et visco-élastiques. Cette méthode utilise la théorie des éléments finis et a été conçue comme une extension de l'algorithme dit des masses-tenseurs pour l'élasticité linéaire. Son principe consiste à pré-calculer un certain nombre de tenseurs dépendant des caractéristiques géométriques et mécaniques de chaque élément fini, qui sont ensuite combinés dans la phase de simulation proprement dite. Notre modèle non-linéaire ne présage d'aucune forme particulière de loi mécanique, de sorte que la méthode proposée est suffisamment générique pour s'appliquer à une grande variété de comportements et d'objets. Après la description de l'algorithme, de ses performances en terme de temps de calcul et de ses conditions de stabilité numérique, nous démontrons que cette méthode est capable de reproduire avec précision le comportement mécanique d'un tissu biologique mou. Ce travail s'inscrivant plus spécifiquement dans le cadre du développement d'un système de simulation de la cryochirurgie du foie, nous avons étudié expérimentalement les propriétés du foie lors de sa perforation par une aiguille à biopsie. Le modèle de masses-tenseurs non-linéaire et visco-élastique construit à l'aide des paramètres expérimentaux a pu reproduire avec une bonne précision les propriétés observées.
This work presents a method for the fast computation of mechanical deformations and forces for the simulation of surgical applications. Surgery simulation aims at providing physicians with tools allowing extensive training and precise planning of given interventions. The design of such simulation systems requires accurate geometrical and mechanical models of the organs of the human body, as well as fast computation algorithms suitable for real-time conditions. Most existing simulation systems use very simple mechanical models, based on the laws of linear elasticity. Numerous biomechanical results yet indicate that biological tissues exhibit much more complex behaviour, including important non-linear and visco-elastic effects. For this reason, we developed a method allowing the fast computation of mechanical deformations and forces including non-linear and visco-elastic effects. This method uses finite element theory and has been constructed as an extension of the so-called tensor-mass algorithm for linear elasticity. It consists in pre-computing a set of tensors depending on the geometrical and mechanical properties of each finite element, which are later combined in the simulation part itself. Our non-linear model does not assume any particular form of mechanical law, so that the proposed method is generic enough to be applied to a wide variety of behaviours and objects. Following the description of the algorithm, of its performances in terms of computation time, and of its numerical stability conditions, we show that this method allows to reproduce the mechanical behaviour of a biological soft tissue with good precision. As this project is part of a broader effort aiming more specifically at developing a simulation system for liver cryosurgery, we experimentally characterized the properties of liver in perforation by a biopsy needle. The non-linear and visco-elastic tensor-mass model constructed from experimental parameters succeeded in accurately reproducing the observed properties.

Le disque intervertébral est probablement le plus extraordinaire des tissus du vivant, principalement en raison de propriétés inhabituelles dépendantes du temps, fortement influencées par l'environnement biochimique et par la charge mécanique appliquée. L'établissement de relations structure-propriété précises pour le tissu de l’annulus fibrosus du disque intervertébral est fondamental afin d’obtenir une modélisation fiable de la colonne vertébrale humaine. La difficulté provient de la multi-axialité et de l'anisotropie de la réponse tissulaire ainsi que de la dépendance régionale d'une structure hiérarchique complexe interagissant avec l'environnement biochimique. De plus, l’annulus fibrosus présente un comportement transversal unique dépendant du temps pour lequel une représentation constitutive complète n'est pas encore développée. Un modèle constitutif chimio-viscoélastique à base physique prenant en compte l’architecture de l’annulus fibrosus et son environnement biochimique a ainsi été proposé. Des modèles numériques d'échantillons de l’annulus fibrosus et d'unités vertébrales fonctionnelles lombaires (disque et vertèbres adjacentes) ont été développés en tenant compte de la matrice interlamellaire reliant les lamelles renforcées de fibres. A l'échelle de l'échantillon, les capacités du modèle sont vérifiées par des comparaisons avec des observations expérimentales pour diverses conditions en termes d'osmolarité, de vitesse de déformation et de multi-axialité tout en considérant la dépendance régionale. Nos résultats démontrent le rôle déterminant de la matrice interlamellaire dans la réponse multi-axiale du disque. Les différents scénarios appliqués aux unités lombaires démontrent les capacités prédictives multi-axiales encourageantes de notre approche, ce qui en fait un outil prometteur pour la prédiction à long terme du comportement de la colonne vertébrale humaine, y compris la dépendance à l'âge
The intervertebral disc is probably the most extraordinary tissue that the nature produces, mainly for its unusual time-dependent properties strongly influenced by the biochemical environment and the applied mechanical loading. Establishing accurate structure-property relationships for intervertebral disc annulus fibrosus tissue is a fundamental task for a reliable computer simulation of the human spine. The difficulty emanates from the multi-axiality and the anisotropy of the tissue response along with regional dependency of a complex hierarchic structure interacting with the biochemical environment. In addition, the annulus fibrosus exhibits an unusual time-dependent transversal behavior for which a complete constitutive representation is not yet developed. A physically-based chemo-viscoelastic constitutive model that takes into account an accurate disc annulus structure in relation with the biochemical environment is proposed. Numerical models of annulus specimens and lumbar functional spinal units (one disc and the adjacent vertebrae) are designed while taking into consideration the interlamellar matrix connecting the fibers-reinforced lamellae. At the specimen scale, the model capabilities are verified by experimental comparisons under various conditions in terms of osmolarity, strain-rate and multi-axiality while considering the regional dependency. Our results highlight the determinant role of the interlamellar matrix in the disc multi-axial response. The different scenarios applied to lumbar units show encouraging multi-axial predictive capabilities of our approach making it a promising tool for human spine behavior long-term prediction including age-dependency

Le pli vocal humain possède des propriétés vibratoires exceptionnelles. Il est capable de supporter de grandes déformations, pour différent type de chargement, de manière répétée et réversible. Ces propriétés vibro-mécaniques particulières sont étroitement liées à sa microstructure: une structure multi-couches complexe fortement hétérogène composées de réseaux de fibres protéique. Cependant, il est encore aujourd'hui difficile de décrire précisément l'implication des spécificités microstructurales du pli dans son comportement biomécanique.Afin de préciser ce lien et d'aller vers une meilleure compréhension du comportement du tissu vocal, cette étude se propose d'aborder la problématique sous trois approches complémentaires, mélant caractérisation microstructurale, caractérisation mécanique et modélisation numérique. Dans un premier temps, la microstructure du pli a été étudiée emph{ex vivo} à l'aide d'une technique originale basée sur la tomographie à rayon X. L'usage de tomographie synchrotron par contraste de phase a permis de révéler la structure du tissu à différentes échelles. En particulier, des clichés 3D à forte résolution de la structure fibreuse des couches supérieures et musculaires du tissu ont pu être acquis. Ces clichés ont donné lieu à une analyse 3D quantitative de l'arrangement fibreux, permettant la détermination de descripteur d'orientation et de géométrie 3D des fibres.Dans un second temps, le comportement mécanique du tissu sous différentes conditions de chargement a été étudié. Un protocole a été proposé, afin de caractériser un même échantillon en traction, en compression et en cisaillement. Ces essais ont permis de compléter les connaissances existantes sur la biomécanique de pli, et constitue des données de références importantes pour la construction et la validation de modèle numérique.A partir des données acquises expérimentalement, un modèle micro mécanique a été développé. Ce modèle a la spécificité de prendre en compte l'arrangement 3D du tissu à travers une représentation idéalisée mais pertinente de sa microstructure fibreuse. Les réponses macroscopiques prédites pour différents chargements ont pu être comparées à l'expérience pour validation. A l'échelle microscopique, la cinématique des fibres au cours du chargement a pu être simulée. Les micromécanismes ayant lieu au cours de la déformation du réseau fibreux ont ainsi pu être identifiés, ouvrant de nouvelles perspectives dans la compréhension des propriétés multi-échelles du tissu
The human vocal fold owns exceptional vibratory properties. It is capable of withstanding large deformations, for different types of loading, in a repeated and reversible manner. These particular vibro-mechanical properties are closely linked to its microstructure: a multi-layer complex structure composed of highly heterogeneous protein fibre networks. However, it is still difficult today to describe precisely the implication of the microstructural specificities of the fold in its biomechanical behaviour.In order to clarify this link and to move towards a better understanding of the behaviour of the vocal tissue, this study proposes to approach the problem under three complementary approaches, combining microstructural characterization, mechanical characterization and numerical modelling. First, the microstructure of the fold was studied emph{ex vivo} using an original technique based on X-ray tomography. The use of synchrotron tomography in phase retrieval mode has revealed the structure of the tissue at different scales. In particular, high-resolution 3D images of the fibrous structure of the upper and muscular layers of the tissue were acquired. These images gave rise to a quantitative 3D analysis of the fibrous arrangement, allowing the determination of descriptors of orientation and 3D geometry of the fibers.In a second step, the mechanical behaviour of the fabric under different loading conditions was studied. A protocol has been proposed to characterize the same sample in tension, compression and shear. These tests have complemented existing knowledge on fold biomechanics, and constitute important reference data for the construction and validation of digital models.Finally, based on the data acquired experimentally, a micro-mechanical model was developed. This model has the specificity to take into account the 3D arrangement of the tissue through an idealized but relevant representation of its fibrous microstructure. The macroscopic responses predicted for different loading conditionds could be compared to the experiment for validation. At the microscopic scale, the kinematics of the fibres during the loading could be simulated. The micromechanisms that occur during the deformation of the fibrous network could thus be identified, opening new perspectives in the understanding of the multi-scale properties of the tissue

La compression élastique (CE) est un traitement médical qui est prescrit en cas d'insuffisance veineuse. Récemment, la CE rencontre aussi un certain succès auprès des sportifs pour la récupération. Cependant, malgré l'utilisation de plus en plus massive de la CE, son action biomécanique sur le membre inférieur n'est pas encore bien caractérisée. Pour contribuer à cette caractérisation, un modèle biomécanique 3D des tissus mous de la jambe sous CE a été développé et appliqué à un panel de sujets. Chaque modèle est personnalisé : la géométrie est reconstruite à partir des images tomographiques 3D de la jambe de chaque sujet et les conditions aux limites reproduisent fidèlement la pression localement appliquée par la CE sur la peau. De plus, les propriétés hyper-élastiques des tissus mous sont identifiées pour chaque sujet par recalage du modèle. Une méthode de recalage originale a été spécifiquement développée et mise en œuvre pour cette application : elle consiste à utiliser les images tomographiques 3D de la jambe déformée comme données expérimentales pour le recalage. Finalement, le modèle donne accès au champ de pression transmis par la CE aux tissus mous internes. Les principales conclusions sont que le champ de pression à l'intérieur de la jambe n'est pas transmis uniformément et qu'il y a de fortes variabilités inter-sujets. En outre, le modèle permet d'obtenir des indications sur le confort et l'efficacité de la CE. Il a ainsi été possible de montrer que l'intensité des pressions maximales subies par les tissus mous de la jambe est inversement proportionnelle à l'épaisseur du tissu adipeux. Les principales perspectives du travail concernent la validation clinique de ces conclusions sur un nombre significatif de sujets, puis leur exploitation en vue d'améliorer les traitements.

La compression élastique est la thérapeutique conservatrice la plus efficace pour la prise en charge de l'insuffisance veineuse et pour le traitement de la maladie veineuse chronique et de ses complications. Malheureusement, en pratique, les objectifs thérapeutiques ne sont pas toujours atteints ce qui souligne le manque de connaissance actuel concernant les mécanismes qui permettent aux Bas Médicaux de Compression (BMC) d'apporter les bienfaits thérapeutiques. Pour apporter des éléments de réponse, une étude numérique de l’action des BMC sur les veines a été réalisée. Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie a été développée pour prévoir les pressions transmises aux parois des veines superficielles et pour quantifier la diminution de la pression transmurale et du calibre que la compression engendre. Une étude de sensibilité réalisée à partir du modèle Eléments Finis développé a permis de mettre en évidence les principaux paramètres qui conditionnent l’action des BMC. Il a ensuite été utilisé pour simuler différents scénarios d’application en lien avec la compression en post-sclérothérapie pour répondre à des problématiques industrielles. Dans une deuxième phase de l’étude, une méthode de modélisation numérique de la réponse des veines profondes à la contraction musculaire lors du port d’un BMC a été développée. Une étude de sensibilité a permis d’apporter des éléments de réponse quant à l’influence relative des aponévroses musculaires, de la contraction musculaire et du port d’un BMC. Ces travaux ouvrent des perspectives d’études nouvelles sur le développement d’outils pour permettre aux fabricants de BMC d’adapter le niveau de compression à chaque patient
Compression therapy is a highly effective modality for treating venous disorders of the lower leg and is considered as the “gold standard” for non-operative therapy. However the mechanisms by which Medical Compression Stockings (MCS) benefit the control and treatment of venous insufficiency are neither clearly understood nor have they been conclusively demonstrated. In the present study, the biomechanical response of the lower leg veins to elastic compression is modelled in order to address some of the issues relating to the mechanisms by which it achieves its medical function. First, a new methodology has been developed in order to predict the pressure transmitted to the superficial vein wall during external compression and to quantify the resulting variations of transmural pressure and of the vein cross sectional area. A parametric study was performed to study the influence of the model parameters on the response of the vein. The developed model was also used to simulate different scenarii related to the use of elastic compression after sclerotherapy. In a second step, a numerical approach was developed to model the biomechanical response of deep veins to elastic compression. A parametric study was performed to evaluate the relative influence of the muscular aponeurosis, muscular contraction and external compression applied by MCS. The obtained results bring a new insight on MCS mechanical action and its possible benefits. They also open up new perspectives, especially, regarding the development of new tools to assist MCS manufacturers in adapting the level of compression to the location of the deep vein, the morphology of the patient and the severity of the disease