Soutenance mémoire
La protection des usagers et la prévention des risques sont des enjeux majeurs de la sécurité routière. La conception des véhicules inclut un grand nombre d’éléments de sécurité passive qui ont pour rôle de minimiser les séquelles corporelles des usagers si l’impact se produit. Pour évaluer leur performance, les véhicules sont actuellement soumis à des essais de chocs réglementaires et des essais consommateurs réalisés avec des mannequins physiques correspondants à quelques percentiles de la population (par exemple homme du 50ième percentile, ou femme du 5ième percentile). Ces mannequins articulés interagissent avec les moyens de retenue tels que les ceintures et les airbags, et permettent de prédire une cinématique du corps par rapport au véhicule. Ils sont équipés de capteurs (par exemple : capteur de force, d’accélération ou de déflection) mesurant des valeurs qui ont été reliées à des risques lésionnels, typiquement, grâce à des essais biomécaniques sur sujet d’anatomie. Par exemple, un mannequin peut être équipé de mesure de déflection thoracique qui, grâce à des essais sur thorax cadavériques, a été relié à un risque de fracture de côte. On parle alors de critère lésionnel (déflection) et de courbe de risque (correspondance entre déflection et risque de lésion d’une sévérité donnée).
Caractérisation mécanique des organes abdominaux
Parenchyme des organes
Dans la littérature, de nombreux essais ont été réalisés et s’attachent à décrire le comportement des organes de l’abdomen. Cependant, toutes les expérimentations ne sont pas réalisées sur organe perfusé, et les essais sur échantillons d’organes sont très fréquents.
Le rein
Beaucoup d’études réalisées donnent des propriétés de matériaux sur le rein de porc, de bœuf, de singe, de lapin ou d’humain. Ces expérimentations, souvent réalisées sur échantillon, sont soit réalisées en compression, en traction ou en cisaillement [YAM 70] [FAR 99] [NAS 02] [TAM 02] [SNE] [NIC 10]. Les essais matériaux sur échantillons ont généralement pour objectif, d’après les auteurs, de définir des paramètres matériaux qui pourraient être implémentés dans les modèles numériques.
Le foie
Les essais sur le parenchyme du foie pour définir les propriétés mécaniques sont nombreux. Comme pour le rein, les essais ont été réalisés en traction, ou en compression, ou en cisaillement, sur du foie de porc, de bœuf d’humain [LIU 02] [MAZ 07] [NIC 10] [BRU 10].
La Rate
Contrairement au foie ou au rein, peu d’études se sont intéressées aux propriétés mécaniques de la rate. Des essais pour déterminer les propriétés mécaniques sur échantillons de parenchyme de rate de porc en traction uniaxiale [UEH 95], en compression uniaxiale [TAM 02], [ROS 08] (in vivo et ex vivo) et en cisaillement [NIC 12] ont été réalisés. D’autres essais ont, eux été réalisés sur de la rate humaine en tension uniaxiale [KEM 12] et par indentation [CAR 01].
Organes de l’abdomen entiers
A l’échelle de l’organe complet, des essais de compression ex situ ont été réalisés sur organes perfusés. Le fluide de perfusion utilisé varie suivant les études (eau saline, héparine, eau du robinet, etc.), de même que les pressions appliquées en entrée (artère, ou veine, les deux, ou uretère pour le rein). Généralement la pression appliquée est de l’ordre de celle que l’on trouve dans la littérature in vivo (entre 80 et 160mmHg) [SHE 06].
Le rein
Quelques études seulement, essaient de tenir compte de la pression de perfusion, soit en testant in vivo mais ex situ les organes [MEL 73], soit en appliquant une pression de perfusion, proche de celle que l’on peut trouver in vivo [SNE 05] [SCH 05] [SCH 06]. Les études ont généralement été réalisées sur des reins de porc. Ils étaient perfusés à 80mmHg dans l’artère [SCH 05] [SCH 06] ou 100mmHg [BSC 02] [SNE 05] et le fluide (eau saline) semblait ressortir par l’uretère. Cependant, aucune donnée n’est disponible sur le changement de géométrie avec la perfusion, ni sur l’influence du fluide ou sur la raideur apparente des reins perfusés versus reins non perfusés. De plus, les données obtenues sont des informations sur le comportement externe de l’organe pendant le chargement (type de lésion, force, énergie, etc.) mais le moment de la lésion est inconnu (données censurées). Seuls trois organes humains ont été testés en tout. Un récapitulatif des essais réalisés est disponible ci dessous . En revanche, de nombreuses études ont été réalisées in vivo et ont tenté de quantifier les caractéristiques géométriques des reins humains (ex [EMA 92] [CHE 07] [BEI 09]) sans documenter la part de volume attribuable à la perfusion, ni l’effet de la perfusion sur les propriétés mécaniques. Gennisson et al., [GEN 12] ont évalué l’effet de la pression de perfusion sur les propriétés mécaniques apparentes in vivo de reins de porcs anesthésiés mais n’ont pas quantifié les modifications géométriques résultantes des différentes modifications de pression.
Le foie
Les études sur le foie complet sont nombreuses. Il est clair que toutes ne tiennent pas compte de la pression interne du foie. Certaines études ont montré qu’il existait une réelle différence en termes de déformation entre les états perfusés et non perfusés. Ottensmeyer et al. [OTT 04] ont montré que, pour un effort appliqué, la déformation du foie perfusé ex vivo est +17% plus élevée que celle d’un foie in vivo, et que celle qu’un foie non perfusé est +50% plus élevée qu’un foie in vivo. Il faut cependant noter que la comparaison est faite avec des organes qui sont alors ex vivo et la géométrie du foie n’est pas la même que celle que l’on peut observer in vivo. Ceci suggère qu’il semble essentiel de perfuser l’organe. Afin de palier à ces problèmes de mise en place et de pression de l’organe, des mesures ont été réalisées in vivo [CAR 01]. D’autres essaient de se rapprocher des données perçues in vivo en appliquant une pression en entrée par exemple pour déterminer l’effet de la perfusion sur les paramètres viscoélastiques [KER 06]. Les études les plus pertinentes pour le choc semblent être celles réalisées sur foie humain perfusé par Sparks et al. [SPA 04] [SPA 07] [SPA 08].
La rate
Peu d’études ont été réalisées sur la rate complète. Seules deux études ont été trouvées. Stingl et al. [STI 02] ont réalisé des essais corps entiers sur un sled en regardant plus particulièrement la rate et le foie. Dans la seconde étude, la partie sur la rate complète est peu détaillée [KEM 11]. Une troisième étude, réalisée in vivo sur le porc [ROS 08] a permis d’obtenir les contraintes et déformations lors d’essais d’indentation. Il ne semble pas y avoir d’autre étude recréant ex vivo les conditions de pression in vivo comme cela existe sur d’autres organes. Il semble donc intéressant d’étudier le comportement de la rate ex vivo lorsque celle-ci est remise en pression.
De nombreuses études ont été menées sur les organes pleins de l’abdomen afin de déterminer les propriétés de matériaux sur échantillon, ou la déformation externe de l’organe pendant un chargement.
On note principalement que lors d’essais sur échantillons, l’organe n’est pas perfusé. Or, comme nous l’avons vu sur le foie, la pression peut affecter la réponse du matériau [OTT 04]. Lors des essais sur organes complets, ceux-ci sont souvent perfusés. Cependant, les effets du fluide de perfusion ou encore de la pression appliquée – variables avec les études – sur les propriétés géométriques et mécaniques des organes n’ont pas été quantifiés. Ainsi, à cause des modifications dues à la perfusion, il n’est pas certain que les propriétés mesurées sur échantillon correspondent à celles des organes entiers, perfusés ou in vivo. Il semble donc important de pouvoir quantifier les effets des différents paramètres afin de pouvoir comparer plus facilement les différentes études entre elles et les comparer aux conditions in vivo. De plus, lors d’un chargement, seules les informations sur la déformation externe sont disponibles. Il semble donc important de trouver une méthode permettant d’imager l’intérieur des organes pendant un chargement, en particulier pour le rein qui a une structure assez inhomogène sur le plan anatomique.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 Contexte de l’étude et état de l’art
1.1. Données anatomiques humaines
1.1.1. L’abdomen
1.1.2. Les reins
1.1.3. Autres organes de l’abdomen
1.2. Revue épidémiologique : Lésions de l’abdomen
1.2.1. Bilans lésionnels
1.2.2. Mécanisme lésionnel des organes de l’abdomen
1.2.3. Conclusion
1.3. Caractérisation mécanique des organes abdominaux
1.3.1. Parenchyme des organes
1.3.2. Organes de l’abdomen entiers
1.3.3. Conclusion
1.4. Essais corps complets
1.4.1. Revue de la littérature
1.4.2. Cinématique interne des organes
1.4.3. Conclusion
1.5. Les modèles éléments finis
1.6. Synthèse et objectifs spécifiques de la thèse
Chapitre 2 Influence de la perfusion et de la pression sur les propriétés apparentes du rein de porc
2.1. Introduction
2.2. Matériels et méthodes
2.2.1. Matériel
2.2.2. Principes de la technique d’élastographie par ondes de cisaillement
2.2.3. Matrice d’essais
2.2.4. Traitement des données
2.3. Résultats
2.3.1. Masse
2.3.2. Propriétés externes
2.3.3. Module de cisaillement apparent
2.4. Discussion
2.4.1. Module de cisaillement
2.4.2. Dimensions in vivo
2.4.1. Choix du liquide de perfusion et d’une pression de perfusion pour de futurs essais
2.5. Conclusions
Chapitre 3 Comportement interne des organes pleins en compression : Méthodologie
3.1. Introduction
3.2. Matériel et méthode
3.2.1. Descriptif expérimental
3.2.2. Moyens d’essais
3.2.3. Matrice d’essais
3.3. Traitement des données
3.3.1. Traitement des images
3.3.2. Suivi interne
3.3.3. Effort/déplacement
3.3.4. Essais destructifs
Chapitre 4 Cinématique interne des organes pleins en compression : Résultats
4.1. Résultats des essais sur le rein
4.1.1. Reins de porc
4.1.2. Reins humains
4.2. Discussion
4.3. Perspectives
4.3.1. Autres types d’essais
4.3.2. Méthodologie d’analyse des résultats
4.3.3. Autres organes
4.4. Conclusion
Chapitre 5 Comportement interne de l’abdomen au choc : Méthodologie
5.1. Introduction
5.2. Principes d’essais
5.2.1. Choix de la Position du sujet
5.2.2. Approche d’imagerie
5.2.3. Dispositif experimental
5.3. Matériels et méthode
5.3.1. Préparation du sujet
5.3.2. Matrice d’essai
5.3.3. Mise en pression et perfusion
5.4. Traitement des données et résultats
5.4.1. Traitement des données
5.4.2. Résultat 1 : Sujet 2012_168 : le côlon
5.4.3. Sujet 2013_03 : le rein
5.4.4. Résultat 2 : Sujet 2013_118 : le foie
5.5. Discussion et perspective
5.6. Conclusions
Conclusion
