Modélisation par éléments finis de la face humaine en vue de la simulation de sa réponse au choc
Résumé
Facial injuries produced by road accidents, sports activities, do not generally lead to fatal consequences, nevertheless, they require expensive medi-cal care and can leave anaesthetic results. Furthermore, the face protects the brain, whose injuries depend on facial bone response.
In order to predict injury risks to the face and brain, the aim of this study is to develop a finite element model of the facial and cranial bone structure and to validate its response to impact.
The first part of this work consists in building the finite element mesh of the facial and cranial bones using CT scans. Shell elements, with varied thickness and density, have been chosen.
The hypothesis of isotropic and homogeneous behaviour has been made for material properties of facial and cranial bones. Static bending tests performed on cranial bone samples and simulated using the finite ele-ment method gave the elasto-plastic properties of this material. Results correspond to the values found in literature.
Mechanical response of the whole facial model has been validated under static loading. To achieve validation, compression tests were performed on the facial part of an isolated head. Numerical and experimental force deflexion curves were compared in order to identify mechanical prop-erties of this sample. Then, local measurements of displacement, obtained using numerical correlation, enabled validation of the local behaviour of the finite element model.
After static validation, the finite element model was assessed un-der impact loading. The model's behaviour corresponds well to the experimental response of the head tested.
Many exploitation perspectives are considered for this numerical model of the facial and cranial bones in the field of impact purpose or max-illofacial surgery. In particular, it will help for the definition of head injury criterion for impact.
In order to predict injury risks to the face and brain, the aim of this study is to develop a finite element model of the facial and cranial bone structure and to validate its response to impact.
The first part of this work consists in building the finite element mesh of the facial and cranial bones using CT scans. Shell elements, with varied thickness and density, have been chosen.
The hypothesis of isotropic and homogeneous behaviour has been made for material properties of facial and cranial bones. Static bending tests performed on cranial bone samples and simulated using the finite ele-ment method gave the elasto-plastic properties of this material. Results correspond to the values found in literature.
Mechanical response of the whole facial model has been validated under static loading. To achieve validation, compression tests were performed on the facial part of an isolated head. Numerical and experimental force deflexion curves were compared in order to identify mechanical prop-erties of this sample. Then, local measurements of displacement, obtained using numerical correlation, enabled validation of the local behaviour of the finite element model.
After static validation, the finite element model was assessed un-der impact loading. The model's behaviour corresponds well to the experimental response of the head tested.
Many exploitation perspectives are considered for this numerical model of the facial and cranial bones in the field of impact purpose or max-illofacial surgery. In particular, it will help for the definition of head injury criterion for impact.
Les traumatismes subis à la face lors d'accidents sur la voie publique, d'activités sportives ou bien de rixes ne nuisent généralement pas à la sur-vie de l'individu mais peuvent requérir des soins coûteux et laisser des séquelles esthétiques importantes. Par ailleurs, la face joue un rôle protecteur du contenu intracrânien et sa réponse au choc conditionne les sollicitations appliquées à celui-ci.
En vue de prédire précisément les risques de blessures de la face et du contenu intracrânien, l'objectif de cette thèse est de développer un modèle en éléments finis de la structure osseuse de la face et du crâne pour la simulation de sa réponse au choc.
Une première partie du travail a consisté à construire le maillage d'une structure osseuse cranio-faciale à partir de coupes scanner de tête. Le choix d'un maillage en éléments de type plaque, de densité suffisante pour représenter fidèlement la géométrie complexe de cette structure osseuse et d'épaisseur variable, a été fait.
L'hypothèse d'un matériau osseux homogène et isotrope a été choisie pour l'ensemble de la structure cranio-faciale. Des essais de flexion statique sur des échantillons d'os crânien, associés à leur simulation numé-rique et une méthode d'identification, ont permis de définir les propriétés élasto-plastiques de ce matériau. Les résultats se situent correctement par rapport aux intervalles de valeurs de la littérature.
La réponse du modèle cranio-facial a été validée sous sollicita-tions statiques. Pour cela des essais spécifiques de compression de la face ont été réalisés sur pièce anatomique. Les courbes globales effort - déplacement expérimentale et numérique ont été comparées pour « calibrer » les propriétés du matériau. La réponse du modèle a ensuite été validée par comparaison du champ de déplacement mesuré expérimentalement par une méthode de corrélation d'images et obtenu par simulation.
Le modèle ainsi validé en statique a été évalué sous sollicitations dynamiques. Sa réponse au choc a été comparée aux résultats d'un impact sur la face réalisé spécifiquement. La réponse au choc globale du modèle est similaire à celle enregistrée expérimentalement.
Plusieurs perspectives d'exploitation de ce modèle sont envisa-geables dans le domaine du choc ou celui de la chirurgie. En particulier, il aidera à définir des critères de blessures de la tête en cas de choc sur la face.
En vue de prédire précisément les risques de blessures de la face et du contenu intracrânien, l'objectif de cette thèse est de développer un modèle en éléments finis de la structure osseuse de la face et du crâne pour la simulation de sa réponse au choc.
Une première partie du travail a consisté à construire le maillage d'une structure osseuse cranio-faciale à partir de coupes scanner de tête. Le choix d'un maillage en éléments de type plaque, de densité suffisante pour représenter fidèlement la géométrie complexe de cette structure osseuse et d'épaisseur variable, a été fait.
L'hypothèse d'un matériau osseux homogène et isotrope a été choisie pour l'ensemble de la structure cranio-faciale. Des essais de flexion statique sur des échantillons d'os crânien, associés à leur simulation numé-rique et une méthode d'identification, ont permis de définir les propriétés élasto-plastiques de ce matériau. Les résultats se situent correctement par rapport aux intervalles de valeurs de la littérature.
La réponse du modèle cranio-facial a été validée sous sollicita-tions statiques. Pour cela des essais spécifiques de compression de la face ont été réalisés sur pièce anatomique. Les courbes globales effort - déplacement expérimentale et numérique ont été comparées pour « calibrer » les propriétés du matériau. La réponse du modèle a ensuite été validée par comparaison du champ de déplacement mesuré expérimentalement par une méthode de corrélation d'images et obtenu par simulation.
Le modèle ainsi validé en statique a été évalué sous sollicitations dynamiques. Sa réponse au choc a été comparée aux résultats d'un impact sur la face réalisé spécifiquement. La réponse au choc globale du modèle est similaire à celle enregistrée expérimentalement.
Plusieurs perspectives d'exploitation de ce modèle sont envisa-geables dans le domaine du choc ou celui de la chirurgie. En particulier, il aidera à définir des critères de blessures de la tête en cas de choc sur la face.
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