Modélisation par éléments finis de la face humaine en vue de la simulation de sa réponse au choc

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1 Thèse de doctorat Laboratoire de Bio et Modélisation Humaine Laboratoire de Mécanique des Contact et des solides Modélisation par éléments finis de la face humaine en vue de la simulation de sa réponse au choc Barbara AUTUORI Directeurs: Jean-Pierre VERRIEST (INRETS) Michel BRUNET (INSA) 16 Avril 2004

2 Plan de l exposé 1 EF

3 Contexte 2 - contexte - objectif - méthodologie EF Epidémiologie Causes de lésions de la tête: les chutes, les rixes, les activités sportives et principalement les AVP Lésions de la tête: nombre important et lésions sévères Lésions de la face: nombre important et lésions mineures Blessures à la face laissant des séquelles esthétiques invalidantes Enjeu en sécurité des transports Nécessité de prédire les risques de blessures: critères

4 Contexte 3 - contexte - objectif - méthodologie EF Conclusion et perspectives Prédiction des risques de blessures Critère «tête» de la réglementation Head Injury Criterion HIC t2 1 = ( t1 t2) t2 t 1 t Contenu intra-crânien Critères utilisant une modélisation en éléments finis Fondés sur des paramètres locaux calculés 1 adt 2.5 Modèle ULP Face non représentée Modèle Simon

5 Objectif 4 - contexte - objectif - méthodologie EF Conclusion et perspectives Réalisation d un numérique de la face: prédire les risques de blessures de la face mieux prédire ceux du contenu intracrânien

6 Méthodologie 5 - contexte - objectif - méthodologie EF Pièce anatomique Reconstruction géométrique et maillage de l os crânien Modèle en éléments finis biofidèle

7 L os crânien 6 EF -l os crânien - le crâne - la face Os cortical Formation osseuse dense Structure composite Os spongieux Os Cortical

8 L os crânien 6 EF - l os crânien - le crâne - la face Os cortical Formation osseuse dense Structure composite Os spongieux Formation osseuse alvéolaire Os spongieux Grande variabilité inter-site et inter- individu

9 Le crâne 7 EF - l os crânien - le crâne - la face 8 os reliés par des sutures

10 Le crâne 7 EF - l os crânien - le crâne - la face Avec une structure intracrâniale complexe 8 os reliés par des sutures Face interne de la base du crâne

11 Le crâne 7 EF - l os crânien - le crâne - la face Avec une structure intracrâniale complexe 8 os reliés par des sutures Face interne de la base du crâne Protection du contenu intra-crânien

12 La face 8 EF - l os crânien - le crâne - la face 14 os reliés par des sutures

13 La face 8 EF - l os crânien - le crâne - la face Multiples cavités 14 os reliés par des sutures

14 La face 8 EF - l os crânien - le crâne - la face Multiples cavités Et des renforts verticaux et horizontaux 14 os reliés par des sutures

15 Méthodologie 9 EF - méthodologie - géométrie - maillage briques - maillage plaques Contraintes Biofidélité géométrique Choix judicieux des éléments Temps de calcul raisonnable

16 Méthodologie 9 EF - méthodologie - géométrie - maillage briques - maillage plaques Contraintes Biofidélité géométrique Choix judicieux des éléments Temps de calcul raisonnable Solutions Acquisition d images scanner Maillage en éléments briques: méthode automatique Maillage en éléments plaques: optimisation du nombre d éléments

17 Géométrie 10 EF - méthodologie - géométrie - maillage briques - maillage plaques Acquisition scanner Traitement seuillage 199 coupes avec un pas égal à 1 mm Pixels blancs: Matériau osseux

18 Maillage en éléments briques 11 EF - méthodologie Principe Taille d un pixel Pas de coupe - géométrie - maillage briques - maillage plaques Elément brique Coupe n Résultat Coupe n éléments de 2 mm de côté

19 Maillage en éléments plaques 12 EF - méthodologie - géométrie - maillage briques - maillage plaques Principe Extraction du contour moyen Reconstruction surfacique Maillage Calcul de l épaisseur

20 Maillage en éléments plaques 13 Extraction des contours EF - méthodologie - géométrie 2 étapes: Extraction automatique Extraction manuelle - maillage briques - maillage plaques

21 Maillage en éléments plaques 14 EF - méthodologie - géométrie - maillage briques - maillage plaques Reconstruction surfacique Catia V4 Maillage Intégration des sutures Catia V4 Nombre: 4413 quadrangles et 270 triangles Taille: de 1,5 mm² à 1,5 cm² Qualité satisfaisante Vue de face Vue de dessous

22 Maillage en éléments plaques 15 EF Calcul de l épaisseur Changement de couleur Normale - méthodologie - géométrie - maillage briques - maillage plaques Elément plaque Schématisation 2D: vue perpendiculaire à l élément Elément plaque Répartition symétrique Structure anatomique respectée

23 Objectifs 16 EF - objectifs - matériel et méthode - résultats Essais de flexion de l os crânien Identification Module d Young E, Limite élastique σe, Module tangent E Hypothèses: matériau homogène, isotrope, loi élastoplastique Simulation numérique

24 Matériel et méthode 17 EF - objectifs - matériel et méthode - résultats Expérimentation 14 éprouvettes testées : os pariétal, occipital, temporal Zone de prélèvement Calotte arrière Essais de flexion 4 points

25 Matériel et méthode 18 EF - objectifs - matériel et méthode - résultats Modélisation 5 échantillons: 3 avec suture Echantillon Géométrie Maillage Scanner plat: section constante Contour moyen Plaques 4500 éléments Epaisseur Mesure

26 Matériel et méthode 19 EF - objectifs - matériel et méthode - résultats Simulation Repérage 3D lors des essais Repère de transformation Repère de simulation Simulation code Abaqus: pilotage en déplacement des pièces rigides

27 Résultats 20 Caractéristiques s EF - objectifs - matériel et méthode - résultats E (MPa) σe (MPa) E (MPa) Moyenne Min-Max Identification: E=7065 MPa, σe=26 MPa, E =3500 MPa en accord avec les données bibliographiques Delille (2002) McElhaney (1970) influence de la proportion os cortical/ os spongieux

28 Résultats 21 EF - objectifs - matériel et méthode - résultats Rupture Coïncidence du lieu de rupture avec les contraintes maximales 4 éprouvettes sur 5 min Fmax (N) σmax (MPa) εmax Moyenne Ecart type Eprouvette rompue max Distribution des contraintes déformations peu dispersées σmax=55 MPa, εmax=0.024 contrainte moyenne équivalente à la biblio McElhaney

29 Résultats 22 EF - objectifs - matériel et méthode - résultats Etude paramétrique Matériau osseux homogène, sans Prédiction exacte : suture, avec épaisseur réelle 4 sur 5 Une modélisation plus détaillée pourrait-elle modifier ce résultat? Modélisation composite et différenciation des sutures : même répartition des contraintes Modélisation de la face: matériau homogène, élastoplastique, avec épaisseur variable, sans suture

30 Objectifs 23 EF 1- Statique - objectifs - matériel et méthode 2 - Anatomique 3 - Dynamique - résultats Evaluation globale des deux s EF de la face Validation locale du Essais de compression Mesures globales Mesures locales

31 Matériel et méthode 24 EF 1- Statique - objectifs - matériel et méthode 2 - Anatomique 3 - Dynamique - résultats Dispositif expérimental 2 pièces anatomiques: H80 ans et F80 ans Compression statique: 0.5 mm/min Total de 9 essais avec et sans endommagement Os frontal 0 Os malaire 30

32 Matériel et méthode 25 EF 1- Statique - objectifs - matériel et méthode 2 - Anatomique 3 - Dynamique - résultats Mesures Mesures globales Effort et déplacement Champs de déplacement 2D par corrélation d images: dépôt d un mouchetis Mesures locales Capteur de déplacement à tige

33 Matériel et méthode 26 EF 1- Statique - objectifs - matériel et méthode 2 - Anatomique 3 - Dynamique - résultats Simulation Localisation des conditions aux limites: repérage 3D Simulation numérique: code Abaqus Modèle briques: éléments Modèle plaques: 3600 éléments

34 Résultats 27 EF Identification et évaluation: domaine élastique H80 ans 1- Statique - objectifs - matériel et méthode - résultats Modèle briques Orientation 30 : E=5960MPa Orientation 0 E=3205MPa 2 - Anatomique 3 - Dynamique Modèle plaques Orientation 30 E=4300MPa Orientation 0 E=4300 MPa

35 Résultats 28 Modèle plaques: identification élastoplastique EF 1- Statique F80 ans - objectifs - matériel et méthode 2 - Anatomique 3 - Dynamique - résultats Identification: E=1600 MPa, σe=5 MPa, E =1400 MPa Distribution des contraintes de Von Mises σmax=35 MPa

36 Résultats 29 EF plaques Validation locale: capteur à tige Propriétés s calibrées 1- Statique - objectifs - matériel et méthode - résultats 2 - Anatomique 3 - Dynamique Bonne correspondance sur la partie exploitable de la mesure

37 Résultats 30 plaques EF Champs de déplacement: qualitatif U2 U1 1- Statique Max= mm Max= 0.22 mm max - objectifs - matériel et méthode - résultats min 2 - Anatomique 3 - Dynamique U1 U2

38 Résultats 31 EF 1- Statique - objectifs - matériel et méthode 2 - Anatomique 3 - Dynamique - résultats plaques Champs de déplacement: quantitatif e r U = exp U U exp sim Erreur relative Direction U1: déplacements trop petits Direction U2: bons résultats localement Erreur relative entre les déplacements mesurés et calculés U2 Erreur relative < 30%

39 Objectif et méthode 32 EF 1- Statique 2- Anatomique - objectif et méthode 3- Dynamique - résultats Systématisation bio de la face Validation architecturale du plaques Sollicitation numérique reproduisant la mastication

40 33 Résultats Directions des contraintes principales EF 1- Statique 2- Anatomique Ferré (selon Deffez) Systématisation bio: renforts - objectif et méthode - résultats 3- Dynamique Vue interne de la face

41 Objectif 34 EF 1- Statique 2- Anatomique 3 - Dynamique - objectif - matériel et méthode - résultats Expérimentation: impact facial Evaluation du en éléments plaques sous sollicitation dynamique Identification Comparaison données expérimentales et numériques Simulation

42 Matériel et méthode 35 Dispositif expérimental EF pièce anatomique: H82 ans 30 Os malaire 1- Statique 2- Anatomique 3 - Dynamique - objectif Impact: vitesse = 3m/s Chariot guidé - matériel et méthode - résultats 1 essai infra-lésionnel: m=750 g 1 essai lésionnel: m=1,17 kg Mesures: accélération et déplacement tige Masse impactante

43 Matériel et méthode 36 EF 1- Statique 2- Anatomique 3 - Dynamique - objectif - matériel et méthode - résultats Simulation Localisation des conditions limites Calcul: Abaqus explicit

44 Résultats 37 EF 1- Statique 2- Anatomique 3 - Dynamique - objectif - matériel et méthode - résultats Expérimentations Essai lésionnel Vitesse = 3m/s Masse = 1,17 kg Effort à rupture: 1650 N Similaire à Yoganadan 1988

45 Résultats 38 EF 1- Statique 2- Anatomique 3 - Dynamique - objectif - matériel et méthode - résultats Données expérimentales Vibrations Essai lésionnel non exploitable dans le domaine temporel Filtrage essai infralésionnel 180 Hz

46 Résultats 39 EF 1- Statique 2- Anatomique 3 - Dynamique - objectif - matériel et méthode - résultats Réponse numérique: essai infra-lésionnel Identification E=1300 MPa Validation globale Bonne correspondance

47 Résultats 40 EF 1- Statique 2- Anatomique 3 - Dynamique - objectif - matériel et méthode - résultats Réponse numérique: essai infra-lésionnel σmax=35 MPa max Contraintes de Von Mises min

48 41 Résultats Prédiction des fractures EF 1- Statique 2- Anatomique 3 - Dynamique - objectif - matériel et méthode - résultats Os maxillaire, orbite, arche zygomatique

49 42 EF Conclusions: Maillage en éléments plaques Géométrie fidèle avec épaisseur réelle Maillage de bonne qualité Densité de maillage variable: nombre d éléments limité Temps de calcul raisonnable

50 43 EF Conclusions: Etude des propriétés élastoplastiques Propriétés obtenues: grande variabilité, influencée par la structure interne Modélisation composite et intégration des sutures: ne change pas la prédiction du lieu de rupture Limites: Hypothèse de section constante trop simplificatrice Caractère viscoélastique de l os Nombre d éprouvettes limité

51 44 EF Conclusions: en statique Propriétés identifiées: variabilité (4300 et 1600 Mpa) Validation locale: Méthode de mesure originale Qualitatif: similitude de la distribution des déplacements Quantitatif: résultats très bons localement (arche zygomatique) Limites: Localisation des conditions limites Mesure par corrélation (3D) Identification globale sur la structure

52 45 EF Conclusions: en dynamique Propriétés identifiées: variabilité inter-individu Réponse numérique: bonne correspondance avec les mesures et les lieux de fractures Limites: Protocole expérimental

53 46 EF Géométrie: personnalisation Propriétés osseuses: approfondir l étude Validation: mesures locales en dynamique Outil de prédiction des blessures de la tête Autres applications Outil de simulation chirurgicale

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