Limites de tolérance à la commotion cérébrale

Investigation of mechanical threshold to concussion

• Auteur / Autrice : Sumedha Premi
• Direction : Rémy Willinger, Caroline Deck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Steffen Peldschus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Willinger, Caroline Deck, Steffen Peldschus, Pierre-Jean Arnoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Steffen Peldschus, Pierre-Jean Arnoux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Prévention

Crâne -- Lésions et blessures

Biomécanique

Expériences

Commotion cérébrale

Mots clés libres

Commotion cérébrale

Modélisation du cerveau

Élongation axonales

Mild traumatic brain injury

Brain modelling

Axonal strain

Brain anisotropy

Concussion

Résumé

Bien qu'il s'agisse d'un traumatisme crânien léger, la commotion cérébrale entraîne de graves conséquences à long terme et peut nuire à la vie d'une personne, à sa famille et à la société. La commotion cérébrale est une perturbation neurologique causée par une impulsion mécanique directe ou indirecte à la tête. Ces troubles neurologiques entraînent des dysfonctionnements du cerveau. Comme les lésions axonales diffuses (DAI) sont l'une des caractéristiques pathologiques les plus fréquentes des lésions cérébrales traumatiques, la connaissance du seuil mécanique de la commotion cérébrale en termes d'allongement axonal peut aider à développer de meilleurs outils de prédiction des lésions cérébrales et à optimiser les systèmes de protection des têtes. Les modèles numériques se sont avérés être des moyens efficaces pour de telles études. Comparés à l'expérimentation, les modèles numériques sont plus précis, plus économiques et plus faciles à utiliser. De plus, ils n'impliquent pas de préoccupations éthiques qui sont toujours présentes en cas d'expérimentation sur des sujets biologiques. Néanmoins, les données expérimentales sont essentielles à la validation d'un modèle informatique. L'impossibilité d'expérimenter sur le cerveau humain restreint l'étude détaillée sur les commotions cérébrales. Cependant, les petits animaux, comme le rat, semblent être un substitut intéressante pour de telles recherches. La littérature confirme qu’un cerveau de rat adulte peut être considéré comme neurologiquement équivalent à un cerveau humain adulte et que, au niveau tissulaire, les cerveaux interespèces réagissent de la même façon, ce qui a conduit à de nombreuses recherches effectuées au moyen du modèle du cerveau du rat. Ainsi, dans le cadre de cette thèse de doctorat, un modèle cérébral anisotrope visqueux hyperélastique à éléments finis du rat a été développé, validé vis à vis d’expériences rapportées dans la littérature puis utilisé pour l'étude du seuil mécanique à la commotion en termes d'allongement axonal basé sur les simulations de traumatismes crâniens expérimentaux. Ce travail de doctorat contribue à la recherche sur le développement d’outils de prédiction des lésions cérébrales et à l'optimisation des systèmes de protection de la tête.

Concussion, in spite of being a mild traumatic brain injury, involves serious long term consequences and can adversely affect the life of an individual, their family and the society. Concussion is a neurological disturbance caused by a direct or indirect impulsive mechanical loading of the head. These neurological disturbances result in functional impairments of the brain. As diffuse axonal injury (DAI) is found to be one of the most frequent pathological features of traumatic brain injury, knowledge of mechanical threshold to concussion in terms of axonal elongation can help in developing better brain injury prediction tools and in optimizing head protection systems. Computational models have proved to be efficient means for such studies. In comparison to experimentation, computational models are more accurate, economic and easier to use. Further, they do not involve any ethical concerns that are always present in case of experimentation on biological subjects. Still, experimental data is essential for the validation of a computational model. Unfeasibility of experimentation on human brain restricts the detailed investigation on concussion. However, small animals, such as rat, seem to be an interesting opportunity for such investigations. The literary observations that an adult rat brain can be considered neurologically equivalent to an adult human brain and that at tissue level inter species brains respond similarly further support the significance of investigations through rat brain model. Hence, as a part of this doctoral thesis work, an anisotropic viscous hyperelastic finite element rat brain model is developed, validated and utilized for the investigation of mechanical threshold to concussion in terms of axonal elongation. This doctoral work contributes to the research on the development of better brain injury prediction tools and the optimization of head protection systems.