De la caractérisation mécanique du comportement des matériaux à la modélisation biomécanique par éléments finis - IMT - Institut Mines-Télécom Accéder directement au contenu
Hdr Année : 2013

From mechanical characterization of materials behavior to finite element modeling in biomechanics

De la caractérisation mécanique du comportement des matériaux à la modélisation biomécanique par éléments finis

Yannick Tillier

Résumé

This HDR is an opportunity to present the work that I have carried out over the last 10 years through the development of a research activity on biomechanics at CEMEF. This work is structured around two axes: the behavior of living tissues and numerical modeling in biomechanics. First axis: characterization of the mechanical properties of living tissues : One part of my research activity consists in developing a methodology for characterizing the mechanical properties of materials, including biological ones. Regarding soft tissues, my close collaboration with hospital practitioners allowed me to develop a protocol for data collection near the operating room and in the medical imaging department. This protocol required the design and the implementation of an experimental mobile indentation device ("the Rhéobiol forceps"), allowing data acquisition as close as possible to operating room. This original tool - now used in other research laboratories - allowed us to characterize the mechanical behavior of several tissues, such as the uterus, fallopian tubes and the placenta. Second axis: development of numerical models in biomechanics : Modeling the mechanical behavior of the human body supposes to overcome all the difficulties dealing with complex and heterogeneous structures. The implementation process will be presented, starting from simplified models of single homogeneous linear elastic bodies with low deformation levels, up to multibody models, composed by heterogeneous visco-hyperelastic materials undergoing large deformations. Particular attention was paid to medical imaging protocols to build accurate geometric models of the organs and tissues studied. Finite element models obtained have been applied to several biomedical and surgical problems including modeling of a series of surgical gestures in gynecology and ophthalmology, the design of medical devices (such as breast or dental implants) or the assessment of the impact of a surgical intervention in maxillofacial surgery. In addition to a summary of my scientific background, my activities in terms of teaching and supervision of research training, my HDR defense is an opportunity to review a number of results obtained from personal work, collaborations with other researchers in mechanics and medicine and the work of the students I have had the pleasure to coach and train and who contributed to the success of this activity.
Cette HDR est l'occasion pour moi de présenter les travaux que je mène depuis plus de 10 ans dans le cadre du développement de l'activité en biomécanique au CEMEF. Ces travaux se structurent autour de deux axes : le comportement des tissus vivants et la modélisation numérique en biomécanique. Axe " caractérisation du comportement mécanique des matériaux vivants " Une partie de mon activité de recherche a consisté à mettre en place une méthodologie de caractérisation des matériaux, notamment biologiques. Concernant les tissus mous, mes collaborations étroites avec des praticiens hospitaliers m'ont permis de mettre au point un protocole de recueil de données au bloc opératoire et dans le service d'imagerie médicale. Ce protocole a nécessité la conception et la réalisation d'un dispositif expérimental d'indentation portable (" la pince Rhéobiol "), permettant l'acquisition de données au plus proche du bloc opératoire. Cet outil original - utilisé maintenant dans d'autres laboratoires de recherche - a permis de caractériser le comportement mécanique de plusieurs tissus, comme l'utérus, les trompes de Fallope et le placenta. Axe " développement de modèles numériques pour la biomécanique " La modélisation du comportement mécanique du corps humain recèle toutes les difficultés liées à la modélisation de structures complexes et hétérogènes. Je présenterai ici la démarche mise en œuvre, partant de modèles simplifiés monocorps, homogènes, élastiques linéaires, faiblement déformés, pour parvenir finalement à des modèles multicorps, hétérogènes, visco-hyperélastiques et soumis à de grandes déformations. Une attention toute particulière a été portée aux protocoles d'imagerie médicale dans le but de construire le plus fidèlement possible les modèles géométriques des organes et tissus étudiés. Les modèles éléments finis obtenus à l'issue de ces différents étapes ont été appliqués à de nombreuses problématiques biomédicales ou chirurgicales parmi lesquelles la modélisation d'une suite d'opérations chirurgicales en gynécologie et en ophtalmologie, l'aide à la conception de dispositifs médicaux (prothèses mammaires, implants dentaires) ou encore l'évaluation des conséquences d'une intervention en chirurgie maxillo-faciale. Outre une synthèse de mon parcours scientifique, de mes activités en termes d'enseignement et d'encadrement de formation à la recherche, cette soutenance d'Habilitation à Diriger les Recherches est l'occasion pour moi de passer en revue un certain nombre de résultats issus de travaux personnels, de collaborations avec d'autres chercheurs - tant du monde de la mécanique que du monde médical - et de travaux des étudiants que j'ai eu le plaisir d'encadrer et de former et qui ont largement contribué au succès de cette activité.
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Dates et versions

tel-00847642 , version 1 (24-07-2013)

Licence

Paternité - Pas d'utilisation commerciale - Pas de modification

Identifiants

Citer

Yannick Tillier. De la caractérisation mécanique du comportement des matériaux à la modélisation biomécanique par éléments finis : Applications à la simulation chirurgicale et au développement de dispositifs médicaux. Matériaux. Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, 2013. ⟨tel-00847642⟩
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