Modélisation mécanique des interactions avec les tissus mous

Opération 12: Modélisation mécanique des interactions avec les tissus mous (ICube, IRCAD)

Pour le développement de simulation réaliste d’interactions avec retour d’effort sur des tissus biologiques, il est important de travailler sur la modélisation biomécanique appliquée à la chirurgie. Nous nous intéressons à la caractérisation expérimentale des tissus biologiques et à l’identification de leur loi de comportement. Pour ce faire, il est important d’élaborer des géométries et des maillages simplifiés pour procéder à la modélisation mécanique des organes déformables ou en mouvement et de leur conditions aux limites. Un effort de recherche doit être également porté sur l’étude de l’influence de l’association de différents tissus biologiques et l’étude de l’interaction entre les structures biologiques et les instruments chirurgicaux pour modéliser les opérations de type perforation, découpe, lacération et cautérisation (en interaction avec l’opération 18. Une première application prévue est le développement d’un simulateur d’échographie pour la formation des radiologues et des chirurgiens. Ce simulateur reproduira de manière réaliste une image échographique à partir d’images scanner X, en prenant en compte des modèles des déformation des organes dus à la respiration et à l’interaction avec la sonde échographique virtuelle. Des modèles simplifiés compatibles avec le temps-réels rapide (~1 kHz), seront également développés pour les applications robotiques télé-opérées avec retour d’effort. L’idée est d’inclure ces modèles dans la boucle d’asservissement avec retour d’effort dans des approches de commande de type « modèle interne » ou prédictive. Le contact outil-organe peut s'avérer destabilisant pour la loi de commande d'un dispositif robotisé. En vue de garantir la robustesse de ces lois de commande, nous développerons des modèles ad-hoc. Ils seront pertinents dans une plage de fréquences donnée et incluront une quantification des incertitudes.

Mesure des propriétés mécaniques du foie in vivo par méthode ultrasonore impulsionnelle.

Au cours de la prochaine période un effort important sera fait en direction de la caractérisation expérimentale et de la modélisation mécanique du foie et du cerveau. Des tests rhéologiques, ultra sons et MRE seront effectués et une analyse sur modèle animal (porc et rat) devra nous renseigner sur la différences vivo – vitro des propriétés mécaniques de ces tissues. Après identification des lois de comportement des modèles éléments finis de ces organes seront réalisés à la fois pour la mise au point de nouvelles méthodes de palpation in vivo, pour la modélisation de l’interaction des organes avec les outils chirurgicaux et pour l’étude de la réponse de ces organes en situation de choc.

Au cours de la prochaine période un effort important sera fait en direction de la caractérisation expérimentale et de la modélisation mécanique du foie et du cerveau. Des tests rhéologiques, ultra sons et MRE seront effectués et une analyse sur modèle animal (porc et rat) devra nous renseigner sur la différence vivo – vitro des propriétés mécaniques de ces tissues. Après identification des lois de comportement des modèles éléments finis de ces organes seront réalisés à la fois pour la mise au point de nouvelles méthodes de palpation in vivo, pour la modélisation de l’interaction des organes avec les outils chirurgicaux et pour l’étude de la réponse de ces organes en situation de choc comme décrit dans l’opération 11. Ces travaux sont actuellement réalisés dans le cadre du projet européen « Passeport for liver reaserch » et de contrats privés en liaison avec l’industrie automobile

Participants : Baumgartner, Bourdet, Deck, Meyer, Raul, Soler, Willinger. Les thèses soutenues ces dernières années ou en cours dans le domaine de la biomécanique des tissus et des organes sont listées ci-dessous.

Les thèses soutenues ces dernières années ou en cours dans le domaine de la biomécanique du traumatisme crânien et cervical sont listées ci-dessous.

L. TALEB : Modélisation mathématique de la tête humaine et simulations de traumatismes crâniens. Soutenue le 03. 02. 1995.

F BOUSLAMA : Analyse vibratoire du fémur humain. Soutenue le 03. 04.1997. T. GUIMBERTEAU : Modélisation du couplage tête-casque de protection en situation de choc ; proposition d’une nouvelle tête de mannequin. Soutenue le 18.12.1998.

B. DIAW : Modélisation éléments finis du couplage tête humaine-casque de protection et reconstruction numérique d’accidents. Soutenue le 15. 10. 1999.

HS KANG : Modélisation de la tête humaine sous accélération extrême par la méthode des éléments finis : Application au choc et à l’hypergravité. Soutenue le 26. 11. 1999.

D BAUMGARTNER : Mécanismes de lésion et limites de tolérance au choc de la tête humaine – Simulation numérique et expérimentale de traumatismes crâniens. Soutenue le 19. 12. 2001.

A NIASS : Contribution à la modélisation mécanique du crâne et de la face humaine. Soutenue le 12 décembre 2003.

N BOURDET : Biomécanique de la colonne cervicale humaine in vivo – Caractérisation modale et modélisation. Soutenue le 19 mars 2004.

R FISCHER : Analyse vibratoire de la colonne cervicale humaine – Caractérisation et modélisation physique. Soutenue le 10 septembre 2004.

C DECK : Modélisation par éléments finis des lésions crânio-encéphaliques – Application à l’optimisation du casque. Soutenue le 10 décembre 2004.

F MEYER : Modélisation par éléments finis du cou humain en situation de choc multi-directionnel – Validation temporelle et modale. Soutenue le 14 décembre 2004.

D MARJOUX : Mécanismes de lésions de la tête humaine en situation de choc. Soutenue le 22 décembre 2006.

JS RAUL : Application des modèles éléments finis à la compréhension du syndrome du bébé secoué. Soutenue le 14 septembre 2007.

S ROTH : Modélisation de la tête de l’enfant. Soutenue le 27 novembre 2007.

P BARRIERE : Caractérisation des propriétés mécaniques de l’os mandibulaire. Soutenues le 16 septembre 2008.

K GUNTZEL : Caractérisation expérimentale de la colonne cervicale sous choc latéral.

V. TINARD : Optimisation des systèmes de protection de la tête au choc. Soutenue le 29 octobre 2009.

M MUNCH : Développement d’une méthode d’analyse de la cinématique du piéton en cas d’accident. 3ème année de thèse.

S CHATELIN : Implémentation de l’anysotropie cérébral dans les modèles éléments finis du cerveau : Application au calcul de l’élongation axonale. 3ème année de thèse.

M LAMY : Modélisation de la tête du rat en situation de choc expérimental. 2ème année de thèse.

Y PENG : Pedestrian head trauma reconstruction. 1ère année de thèse .