Mechanical and geometrical multiscale personalisation of the human thorax
Personnalisation géométrique et mécanique multi-échelles du thorax humain
Résumé
For a better assessment of injury criteria on the human thorax, realistic numerical simulations need accurate geometrical characterization and an understanding of the mechanical behavior of the rib. Thelack of representation of the FE models of the human thorax could be filled by a personalization of these two aspects. This thesis is based on the study of 18 post-mortem human subjects. From medical data (CT-scans), the different dimensions of the ribs were analyzed. The correlation of the measurements led to the prediction of 192 dimensions from a single input parameter. At a lower scale, an innovative protocol enabled us to combine microstructural information obtained from a μCT with the external shape of the ribs. 2 hemi-thoraxes were scanned to generate a complete map of the thickness of cortical bone and cross-section area evolution. A strategy was implemented to provide an algorithm, predicting this entire local geometry from a single rib’s sample. The relevance of this customization was evaluated by a sensitivity analysis on FE models. The results of tensile tests on cortical bone showed different behaviors between the samples harvested from the inner or outer side of the rib. A precise characterization of the internal structure of the cortical bone, coupled with in-situ micro-tensile device, revealed certain answers about this difference. An algorithm is also proposed topersonalize the mechanical properties, completing the approach of adapting the FE models of the thorax of each individual to improve their biofidelity.
La recherche en biomécanique des chocs est une nécessité pour améliorer la sécurité dans les transports. Pour une meilleure évaluation des critères lésionnels lors des simulations de crash, le manque de représentativité des modèles EF du thorax humain pourrait être comblé par une démarche de personnalisation aussi bien au niveau géométrique que mécanique. Cette thèse se base sur l’étude de 18 sujets humains post-mortem. A partir des données d’imagerie, les différentes dimensions des côtes sont analysées. La corrélation de ces paramètres aboutit à la prédiction de 192 dimensions à partir d’un unique paramètre d’entrée. A une échelle inférieure, un protocole innovant a permis de coupler des informations microstructurales issues d’un μCT avec la forme extérieure des côtes. 2 hémi-thorax ont été micro-scannés afin de générer une cartographie complète des épaisseurs d’os cortical. Une stratégie a été mise en place pour proposer un algorithme prédisant l’intégralité de cette géométrie locale d’après un seul tronçon de côte. La pertinence de cette personnalisation a été évaluée par une étude de sensibilité sur des modèles EF. Les résultats d’essais de traction sur os cortical montrent un comportement différent entre les éprouvettes prélevées sur la table interne ou externe des côtes. Une caractérisation précise de la structure interne de l’os cortical, couplé à des essais de micro-traction in-situ, a pu apporter des éléments de réponse sur cette différence. Unalgorithme de personnalisation a été aussi proposé pour les propriétés mécaniques, complétant ainsi la démarche d’adapter les modèles EF du thorax à chaque individu afin d’améliorer leur biofidélité.
Origine : Version validée par le jury (STAR)