Modélisation du corps vertébral en chargement dynamique : intégration de l'effet de l'âge

Afin d'analyser le comportement biomécanique des vertèbres pour des applications biomédicales ou traumatiques, les modèles par éléments finis sont de plus en plus utilisés. Cependant la variabilité biologique, dont les effets de l'âge, et les sollicitations dynamiques ne sont pas toujours prises en compte lors du développement de ces modèles. Cette thèse a pour objectif de rendre compte des effets de l'âge dans la modélisation des vertèbres pour des chargements dynamiques. La partie expérimentale a porté sur la réalisation d'essais en compression de corps vertébraux à 0,5m/s. Les données nécessaires à la compréhension des mécanismes de fractures des corps vertébraux et à la validation des modèles ont été collectées et complétées par des mesures de densité sur des images scanners. La partie numérique a été décomposée en trois volets : D'abord, les propriétés de l'os cortical et de l'os spongieux ont été déterminées par analyse inverse dans un modèle de vertèbre lombaire à différentes vitesses. Puis, les effets de l'âge ont été implémentés dans ces modèles calibrés. Les propriétés mécaniques de l'os ont été calibrées en fonction de données de la littérature. Enfin, à partir des scanners du volet expérimental, des modèles personnalisés ont été développés. Leurs réponses, comparées aux données expérimentales, ont montré la pertinence de la personnalisation en chargement dynamique tant d'un point de vue qualitatif (initiation de la fracture) que quantitatif (effort, raideur, énergie). Les résultats de ce travail mettent en perspective l'évaluation des effets de l'âge tant dans la fragilité du rachis lors d'un traumatisme que pour sa réparation. Mots-clés : biomécanique, éléments finis, os, vertèbre, propriétés mécaniques, essais expérimentaux, fracture, âge, dynamique

Abstract

Vertebral body modeling in dynamic loading: integration of age effects Finite element models (FEM) are increasingly being used to investigate the mechanical behavior and the resistance of vertebrae. Nevertheless, biological variability (including age effects) and dynamic loading are not always taken into account when developing these models, in spite of their influence on the behavior of this structure. The objective of this work was to integrate age related features in FEM of vertebrae in dynamic conditions. The experimental part of this work consisted in testing vertebral bodies in compression at 0,5m/s. The data required to understand the failure mechanism of vertebral bodies and to validate FEM were gathered. The vertebrae were also scanned to evaluate their density. The numerical part was divided into three sections: First, the mechanical properties of trabecular and cortical bone were calibrated by using an inverse method in a FEM of a lumbar vertebra tested in compression at different loading rates. Secondly, age effects were implemented in these calibrated models. Mechanical properties of bone components were adapted and validated according to literature data. Finally, subject-specific models were developed from scans of the experimental part. Their responses, compared to experimental data, showed the efficiency of these models to evaluate quantitative (force, stiffness, energy) and qualitative data (location of the fracture initiation) in dynamic loading. The results of this work have large prospects, from age effects influence on spine trauma to evaluation of surgery techniques considering subject-specific properties. Keywords : Biomechanics, finite elements, bone, vertebra, mechanical properties, experimental tests, fracture, age, dynamics