Identification des propriétés hyperélastiques des muscles de la cuisse à l'état passif : couplage des techniques de corrélation d'images aux techniques d'imagerie médicale

par Jean-Sébastien Affagard

Thèse de doctorat en Bio-Ingénierie, Biomécanique, Biomatériaux

Sous la direction de Sabine Bensamoun et de Pierre Feissel.

Soutenue le 14-10-2013

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) , en partenariat avec Biomécanique et Bioingéniérie (laboratoire) .


  • Résumé

    La compréhension du comportement musculaire est un champ d’investigation primordial dans divers domaines tels que le sport, le crash automobile et la médecine. Peu de techniques in vivo permettent aujourd’hui de caractériser les propriétés mécaniques du muscle. Aussi, l’objectif de ce travail est de développer une méthode d’identification in vivo à partir demesures de champs de déplacement. La méthode d’identification est composée de 3 étapes interdépendantes. La première consiste à réaliser une IRM de la cuisse pour segmenter manuellement différents tissus musculaires (quadriceps, ischios, gracilis et sartorius) et le tissu adipeux. Un comportement Néo-Hookéen est choisi pour modéliser le comportement hyperélastique (C10, D). Dans un second temps, un dispositif expérimental de compression est développé pour mesurer le champ de déplacement in vivo à partir des techniques d’imagerie échographique et de Corrélation d’Images Numériques. Finalement, une méthode inverse est mise en œuvre pour identifier les paramètres C10 et D de chaque tissu. Par le biais d’un exemple numérique, l’erreur sur les paramètres identifiés est évaluée. Les cartographies des champs de déplacement expérimentaux confirment les observations qualitatives obtenues sur les images échographiques et sont validées par les champs de déformation obtenus par approximation diffuse. Une faible erreur d’identification (C10<3%, D<7%) est obtenue à partir de l’exemple numérique, et les paramètres mécaniques identifiés sont en accord avec la littérature. Ces résultats valident la démarche inverse mise en œuvre qui permettra, à terme, de suivre l’évolution des pathologies et de mener des simulations prédictives.

  • Titre traduit

    Identification of the hyperelastic properties of the passive thigh muscles : coupling of the image correlation with medical imaging techniques


  • Résumé

    The understanding of the mechanical behavior of the muscle tissue is an important field of investigation with different applications in medicine, car crash and sport. Currently, few in vivo imaging techniques are able to characterize the mechanical properties of muscle. Thus, this study aims at developing an in vivo identification method based on displacement fieldmeasurements. The identification approach is composed of 3 dependent steps. The first step consists in performing a 2D MRI acquisition of the thigh in order to segment manually the muscle (quadriceps, ischio, gracilis and sartorius) and fat tissues. A Neo-Hookean model is chosen to characterize the hyperelastic behavior (C10, D). Secondly, an experimental compressiondevice is developed to measure the in vivo displacement field using ultrasound and Digital Image Correlation (DIC) techniques. Finally, an inverse method is implemented to identify the C10 and D parameters of each soft tissue. A numerical example is used to quantify the identification error on each parameter. Displacement field measurements confirm the ultrasound observations. They are also validated by the cartographies of the strain fields, which are obtained by the diffuse approximation method. Using the numerical example, the identification leads to low errors on the C10 (< 3%) and D (< 7%) parameters. Identified values of the mechanical parameters are in good agreement with the literature. All results validate the implemented identification method. In the long term, this protocol will allow to follow the evolution of pathologies and to conduct predictive simulations.


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