Identification et modélisation du comportement viscoélastique linéaire et non linéaire du tissu cérébral en situation d'impacts

Identification and modelling of the linear and nonlinear viscoelastic brain tissue behaviour under impact conditions

• Auteur / Autrice : Stéphane Nicolle
• Direction : Rémy Willinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Université Louis Pasteur (Strasbourg) (1971-2008)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Crâne -- Lésions et blessures

Anatomie

Cerveau

Biomécanique

Résumé

Ce travail a pour objectif de contribuer au développement du modèle par éléments finis de la tête humaine de l'ULP. Il intègre une étude du comportement viscoélastique linéaire et non linéaire du tissu cérébral dont la connaissance reste actuellement incomplète et contrastée. Les propriétés matérielles en cisaillement du cerveau sont déterminées aux petites déformations sur une gamme de fréquences inédite (de 0. 1 à plus de 6000 Hz) qui inclut les fréquences associées aux chocs automobiles et balistiques non pénétrant. La robustesse du protocole opératoire et la fiabilité des résultats expérimentaux sont confirmées par l'utilisation de deux outils de mesure différents et par l'analyse d'un certain nombre de facteurs pouvant influer sur l'objectivité des mesures. L'étude s'accompagne également d'une analyse de l'anisotropie pour une région particulière du cerveau (la couronne radiaire), et des différences inter-espèces et régionales. Le comportement du cerveau aux grandes déformations est appréhendé au travers d'essais de relaxation effectués sur une plage de déformations allant de 0. 1% à 50%. Il ressort que l'augmentation du niveau de déformation influe sur l'amplitude des modules mesurés mais non sur leurs temps de relaxation. Les résultats aux petites déformations aboutissent à une modélisation phénoménologique du comportement linéaire du cerveau par un modèle de Maxwell généralisé à cinq modes. Le comportement non linéaire est modélisé par une loi hyperélastique de Ogden dans sa phase caoutchoutique puis par une extension proposée de cette loi (loi visco-hyperélastique) qui tient compte des effets dissipatifs observés sur l'intervalle de temps considéré. Une confrontation des lois de comportement linéaire et non linéaire du cerveau est enfin réalisée au cours d'une simulation numérique d'un choc de référence et d'un choc balistique. Il ressort que la mise en évidence de l'apport des différentes lois nécessite d'autres critères de validation des modèles numériques.

The aim of this work is to contribute to the development of the ULP human head Finite Element model. This study concerns the linear and nonlinear viscoelastic brain tissue behaviour of which the knowledge remains currently incomplete and contrasted. The small shear strains brain properties are determined on new frequency range (from 0. 1 to more than 6000 Hz) which includes frequencies associated with traffic road accidents and non penetrating ballistic impacts. The robustness of the protocol and the reliability of the experimental results are confirmed by the use of two different testing devices and by the analysis of several factors which could affect measurements objectivity. The study is also accompanied by an analysis of the anisotropy for a particular area of the brain (the corona radiate), and inter-species and regional differences. The large strain brain behaviour is characterized by shear relaxation tests between 0. 1% and 50% strain. The results show the increase of the strain level affect the modulus magnitude but not their relaxation times. The brain linear behaviour is modelled by a phenomenological five-mode Maxwell model. The brain rubberlike behaviour is modelled by an Ogden hyperelastic law. This law is extended to take account of the observed dissipative effects on all time range (visco-hyperelastic law). Finally, a comparison of these brain linear and nonlinear constitutive laws is realised from numerical simulations of a reference and a ballistic impact. The conclusion is that the pertinence of the different laws contribution requires other numerical model validation criteria.