Etude de l’interaction mécanique entre un dispositif médical implantable actif crânien et le crâne face à des sollicitations dynamiques

Analysis of the mechanical interaction between an active cranial implantable medical device and the skull subjected to impact loadings

• Auteur / Autrice : Alice Siegel
• Direction : Sébastien Laporte, Fabien Sauter-Starace
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique et ingénierie pour la santé
• Date : Soutenance le 05/04/2019
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak - Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak
• Jury : Président / Présidente : Évelyne Emery
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Laporte, Fabien Sauter-Starace, Ivan Iordanoff
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadia Bahlouli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Implants médicamenteux

Biomécanique

Mots clés libres

Dispositif médical implantable actif

Sécurité normative

Choc

Crâne

Modélisation éléments finis

Expérimentations

Active implatntable medical device

Security standards

Impact

Skull

Finite element modeling

Experiments

Résumé

Dans le cadre du développement accru d’implants crâniens actifs, l’étude de la résistance du complexe crâne-implant face à des chocs modérés est nécessaire afin d’assurer la sécurité du patient. Le but de cette thèse est de quantifier l’interaction mécanique entre le crâne et l’implant afin de développer un modèle éléments finis prédictif utilisable pour la conception des futurs dispositifs. Dans un premier temps, des essais matériaux sur titane et silicone ont permis d’extraire les paramètres élastiques, plastiques et de viscosité de leurs lois de comportement. Ces paramètres ont ensuite été implémentés dans un modèle éléments finis de l’implant sous sollicitations dynamiques, validé par des essais de choc de 2,5 J. L’implant dissipe une partie de l’énergie du choc et le modèle obtenu permet d’optimiser la conception de l’implant afin qu’il reste fonctionnel et étanche après l’impact. La troisième partie porte sur l’élaboration d’un modèle éléments finis du complexe crâne-implant sous sollicitations dynamiques. Des essais sur têtes cadavériques ovines ont permis d’optimiser les paramètres d’endommagement du crâne. Le modèle complet du complexe crâne-implant, corrélé à des essais de choc, apporte des éléments de réponses sur le comportement du crâne implanté face un choc mécanique, permettant ainsi d’optimiser la conception de l’implant afin de garantir l’intégrité du crâne.Ce modèle représente un premier outil pour l’analyse de l’interaction mécanique entre crâne et implant actif, et permet de dimensionner ce dernier de sorte à garantir son fonctionnement et son étanchéité, tout en assurant l’intégrité du crâne.

Active cranial implants are more and more developed to cure neurological diseases. In this context it is necessary to evaluate the mechanical resistance of the skull-implant complex under impact conditions as to ensure the patient’s security. The aim of this study is to quantify the mechanical interactions between the skull and the implant as to develop a finite element model for predictive purpose and for use in cranial implant design methodologies for future implants. First, material tests were necessary to identify the material law parameters of titanium and silicone. They were then used in a finite element model of the implant under dynamic loading, validated against 2.5 J-impact tests. The implant dissipates part of the impact energy and the model enables to optimize the design of implants for it to keep functional and hermetic after the impact. In the third part, a finite element model of the skull-implant complex is developed under dynamic loading. Impact tests on ovine cadaver heads are performed for model validation by enhancing the damage parameters of the three-layered skull and give insight into the behavior of the implanted skull under impact.This model is a primary tool for analyzing the mechanical interaction between the skull and an active implant and enables for an optimized design for functional and hermetic implants, while keeping the skull safe.