Détermination des mécanismes de dégradation de poumons humains sous chargement de blast et critères lésionnels associés

Determination of degradation mechanisms of human lungs under blast loading and associated lesion criteria

• Auteur / Autrice : Ariane Martin
• Direction : Federica Daghia, Emmanuel Baranger, Christophe Cluzel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 30/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Roth
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Laporte, Martin Genet, Nadia Bahlouli
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Laporte, Martin Genet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Biomécanique

Poumon

Ondes de choc

Mots clés libres

Onde de choc

Poumon

Critère lésionnel

Scénario de dégradation

Analyse multi-Échelle

Biomécanique

Shock wave

Lung

Lesion criteria

Degradation scenario

Multi-Scale analysis

Biomechanics

Résumé

Les lésions pulmonaires représentent la première cause de mortalité face à un blast. Dans un but de protection, il est primordial de comprendre les causes de ces dégradations. Pour l'instant, les effets de cette onde de choc sur les poumons sont mal décrits. En effet, dans la littérature, les modèles de poumons, utilisés pour l'évaluation des blessures pulmonaires face à une explosion, reposent sur des indicateurs globaux tels que la pression intra-pulmonaire ou la vitesse de l'avant de la cage thoracique. Cependant, ces indicateurs globaux ne sont pas associés à des mécanismes physiques de dégradations. Les travaux de cette thèse s'intéressent à l'étude des mécanismes de dégradations pulmonaires face à un blast ainsi qu'aux critères lésionnels qui y sont associés. De plus, cette étude permet une première approche de définir les paramètres importants pour la représentation du comportement du thorax face au blast dans le but de concevoir un simulant représentatif.En raison du manque de compréhensions des mécanismes de dégradation des poumons, une modélisation à deux échelles est proposée. Dans un premier temps, une étude des chargements et de leurs effets à l'échelle macroscopique, sur des modèles simples, permet de mieux comprendre les effets entrant en jeu face au blast et de valider des hypothèses qui seront utilisées dans l'établissement d'une simulation plus précise. De plus, des autopsies provenant d'essais de l'IRBA seront étudiées dans le but de déterminer la localisation de ces blessures, en particulier leur zone d'amorçage. Dans un second temps, les mécanismes de dégradation, à l'échelle microscopique, possibles face au blast seront étudiés. Pour comprendre les mécanismes de dégradation du poumon, à l'échelle microscopique, une analyse des effets de tous les accidents mécaniques impactant les poumons est réalisée. Un tri est proposé sur les chargements induisant un saignement. En couplant ces données à quelques observations de la littérature à l'échelle des fibrilles de collagène, un mécanisme de sur-allongement des renforts des parois alvéolaires est retenu puis un critère macroscopique en déformation principale maximale lui est associé. Enfin, un couplage entre les chargements macroscopique et les critères tirés de cette étude à l'échelle microscopique est réalisé par une simulation des effets du blast sur une maquette à Éléments Finis représentant la géométrie et les propriétés mécaniques des organes du thorax. Pour ce faire, le modèle THUMS a été modifié pour y implémenter un comportement des poumons plus représentatif du réel. Ce couplage a permis de mettre en évidence la présence d'allongement dans la partie des poumons où sont localisées les dégradations lors de la compression de la cage thoracique.

Lung damage is the leading cause of death in the face of a blast. For protection purposes, it is essential to understand the causes of this damage. For the moment, the effects of this shock wave on the lungs are poorly described. Indeed, in the literature, the lung models used for the evaluation of lung injuries in the face of an explosion rely on global indicators such as the intra-pulmonary pressure or the velocity of the front of the rib cage. However, these global indicators are not associated with physical mechanisms of injury. The work of this thesis is interested in the study of the mechanisms of pulmonary degradations in front of a blast as well as the lesion criteria which are associated with it. Moreover, this study allows a first approach to define the important parameters for the representation of the behavior of the thorax in front of the blast to design a representative simulant.Due to the lack of understanding of the mechanisms of lung degradation, a two-scale modeling is proposed. First, a study of the loads and their effects at the macroscopic scale, on simple models, allows a better understanding of the effects involved face of the blast and validation of the hypotheses that will be used in the establishment of a more accurate simulation. In addition, autopsies from IRBA tests will be studied to determine the location of these injuries, in particular their initiation zone. In a second step, the possible degradation mechanisms, at the microscopic scale, in front of the blast will be studied. At the microscopic scale, an analysis of the effects of all the mechanical accidents impacting the lungs is performed to understand the mechanisms of lung degradation. A sorting is proposed on the loads inducing bleeding. By coupling these data to some observations of the literature at the scale of collagen fibrils, a mechanism of over-elongation of the alveolar wall reinforcements is retained and a macroscopic criterion in maximum principal deformation is associated with it. Finally, a coupling between the macroscopic loadings and the criteria drawn from this study at the microscopic scale is carried out by a simulation of the effects of the blast on a Finite Element model representing the geometry and the mechanical properties of the thorax organs. For this purpose, the THUMS model was modified to implement a lung behavior more representative of the real one. This coupling allowed us to highlight the presence of elongation in the part of the lungs where the degradations are located during the compression of the thoracic cage.