Approche discrète et personnalisée de la biomécanique des fascias, de l'élasticité à la rupture

From elasticity to failure, discrete and personalized approach of fasciae biomechanic

• Auteur / Autrice : Alexandre Lagache
• Direction : Jérémie Girardot
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2023
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IBHGC Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation par élément discret

Fascia

Rupture

Discrete element modeling

Fascia

Failure

Résumé

Le corps humain peut être diviser en de nombreux sous-systèmes parmi lesquels le système musculo-squelettique, le système nerveux ou encore le système digestif. Parmi ces systèmes, le système fascial est peu connu et étudié. Quatre types de fascia existent : les fascias superficiels qui représentent la couche la plus profonde de la peau, les fascias profonds qui séparent les muscles de la peau, les fascias internes qui comblent des espaces entre les organes et les fascias viscéraux qui recouvrent certaines viscères. Le rôle de ces fascias n'est pas encore bien compris mais leur importance est capitale. Les fascias, notamment les fascias profonds comme le fascia lata de la cuisse, assistent les muscles lors de leur contraction et les empêchent de sortir de leur loge en jouant un rôle de stabilisateur. De plus ils permettraient de réduire les frottements entre muscles adjacents. D'un point de vue histologique les fascias sont des tissus très organisés. Ils sont principalement composés de faisceaux de fibres rigides et ondulées de collagène reliés entre eux par une matrice souple de protéoglycane. Les fascia sont organisés en plusieurs couches, deux pour le fascia lata mais trois pour le fascia brachial par exemple. Dans chacune des couches les faisceaux de fibre de collagènes sont orientés dans la même direction. Toutefois cette direction varie d'une couche à l'autre. Les faisceaux de deux couches successives forment généralement un angle compris entre 68° et 80° d'après la littérature. Comparé aux autres tissus humains, peu d'études ont été réalisées sur le comportement mécaniques des fascias. La littérature définie les fascia comme des matériaux élastiques non linéaire. La plupart des tests de caractérisations existants sont des tests de traction simple ou biaxiale. Du fait du manque de caractérisation expérimentale, peu de modèles numériques ont été établis et vérifiés. La déchirure du fascia peut apparaître pour diverses raisons en fonction du lieu de déchirure. Là où une rupture du fascia plantaire peut être dû à l'obésité, une rupture associée à une hernie inguinale possède une autre étiologie. Une modélisation poussée de ces rupture permettrait de prédire les conduites à risques et personnes à risques, notamment dans un contexte de sport à haut niveau. Dans ce milieu, les rupture musculaire et fasciale sont plus courantes que dans le reste de la population à cause du chargement mécanique important auquel sont soumis les muscles des sportifs. L'étude de déchirement des fascia est aussi primordiale dans un contexte de sûreté automobile. En effet les mannequins en accidentologie sont de plus en plus performant ce qui permet d'étendre les études des blessures au système fascial. Dans ce contexte, prédire et prévenir la rupture de fascia viscéraux et interne permet également de prévenir les dégâts causés aux organes qu'ils renferment et qui sont souvent vitaux. La méthode des éléments discrets est une modélisation qui a été initialement créée pour décrire la physique de milieux granulaires . Plus récemment cette méthode à été adapté à un plus large cas d'utilisation en permettant l'étude de composites. Lors de la thèse de Roux et al, cette méthode a été étendue au complexe musculo-tendineux pour modéliser le rupture du muscle sterno-cléido-mastoïdien. Dans la continuité de ce travail, Muth-Seng et al a généralisé ce procédé aux essai de traction du fascia. Cette méthode permet une très bonne représentation de la méso-structure d'un tissu ou composite, elle est donc toute indiquée pour étudier la rupture des fascias. L'utilisation d'imagerie médicale permettra de personnaliser les modélisation par éléments discrets et de facilement modifier la méso-structure du problème par rapport au fascia étudié. Les simulations informatiques seront comparées à des essais de traction, relativement simples à mettre en place, et à des essais de gonflements, offrant un chargement proche du chargement physiologique des fascias.

The human body can be divided in numerous subsystems which include the musculo-skeletal system, the nervous system or the digestive system. Among those systems, the fascial system is poorly known and studied. There are four types of fascia. The superficial fascias constitute the deepest layer of the skin. The deep fascias divide the muscle from the skin. The internal fascias fill blank spaces between organs and the visceral fascias cover some viscera. The part of those fascias is not well understood but they are essential. Fascias, more specifically deep fascias such as the fascia lata, support the muscle during their contractions and act as stabilizers. Furthermore, they reduce the friction between the nearby muscles. Histologicaly speaking the fascias are well organized tissues. They are mainly composed of stiff and wavy bundles of collagen fibers. Those bundles are linked together by a soft proteoglycan matrix. Fascia are organized in several layers, two for the fascia lata but three for the brachial fascia for instance. In each layer the bundles are aligned in the same direction. However the direction is different between two layers and is generally about 70° according to the literature. In comparison to others human tissues, few studies have been conducted on the mechanical behavior of the fascias. The literature defines the fascia as a non linear elastic material. Most characterization tests are uniaxial or biaxial tensile test. Because of the lack of experimental data even fewer numerical models have been developed or verified. The tear of fascia may occur for various reasons depending of the location of the tear. Plantar fascia tear is privileged by obesity whereas a tear associated to a inguinal hernia has another etiologies. An extensive model of those tears would help to foresee the risky persons and behaviors, especially when it comes to athletes. They are more susceptible to suffer from a muscular or fascial tears because of the heavy mechanical loading their muscles are submitted to. The study of the fascial tear is also essential in the context of automobile safety. Indeed, accidentology models are more and more complex and allow the inclusion of the fascial system. Foreseeing and preventing the tear of visceral fascia would prevent the damage on the vital organs they protect. The discrete element method has been created to describe the granular environment physic. Recently this method has been adapted to study the mechanical behavior of the composite materials. During his Ph.D A.Roux extended this method to the study of the musculo-tendinous complex in order to model the tear of the sterno-cleido-mastoid muscle. In the wake of this work, C. Muth-Seng generalized this process to the tensile test of the fascias. This method allows an accurate representation of the material meso-structure which is really interesting to study the tear of the fascias. The use of medical imaging will help to personalize the discrete element model by modifying the meso-structure of the problem to make it fit the studied fascia. The simulation will be compared to tensile test, which are easy to conduct, and to bulge tests which offer a physiological loading.