Modélisation mécanique du cerveau de rat : application au traumatisme cérébral

Mechanical modeling of the rat brain : application to traumatic brain injury

• Auteur / Autrice : Michael Lamy
• Direction : André Constantinesco, Rémy Willinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Expérimentation animale

Déformations (mécanique)

Contraintes (mécanique)

Éléments finis, Méthode des

Biomécanique

Lésions encéphaliques

Modèles mathématiques

Lésions et blessures

Cerveau

Résumé

Les lésions traumatiques cérébrales sont une cause majeure de décès et d’infirmités dans nos sociétés. Elles sont souvent dues à des chutes ou accidents motorisés, quand la tête subit une sollicitation mécanique. L’étude de ces lésions représente des enjeux majeurs ; mais leurs critères d’apparition demeurent assez mal définis, car les lésions cérébrales résultent par nature d’évènements imprévisibles et ne peuvent donc être analysées qu’a posteriori. Aussi, le présent travail s’est proposé de s’intéresser au traumatisme cérébral par une méthode associant modélisation numérique et protocoles expérimentaux animaux. En premier lieu, un modèle à éléments finis (MEF) du cerveau de rat est développé. Un maillage détaillé de l’encéphale est créé, basé sur des images médicales, et inclut différents composants anatomiques ; puis une caractérisation mécanique lui est définie. Après une phase de validation et tests paramétriques, le modèle permet de simuler des protocoles expérimentaux d’accélération angulaire de la tête du rat. Les résultats expérimentaux sont confrontés aux réponses numériques du modèle, pour contribuer à l’étude des critères de lésion. La première série de simulations reproduit des situations causant des lésions légères. De nouveaux indicateurs mécaniques sont proposés, s’avérant mieux corrélés aux déficits comportementaux des animaux que les paramètres usuels (contraintes et déformations). La seconde série simule des chargements responsables de lésions modérées à sévères. Par comparaison avec les informations anatomiques et histologiques, des seuils d’apparition de lésions sévères sont proposés pour les contraintes de Von Mises et les déformations principales.

Traumatic brain injuries (TBI) are a major cause of deaths and disabilities in our societies. They often result from falls or motor vehicle collisions, when the head sustains a mechanical loading. Studying those injuries is a crucial issue; but the criteria governing the occurrence of said lesions remain not well known, as brain injuries are in essence the results of unforeseeable events, and thus can only be analyzed a posteriori. Therefore, the current work of thesis aimed to deal with brain injuries through a combined approach of experimental animal protocols and numerical models. In a first step, a finite element model (FEM) of the rat brain is developed. Based upon medical imaging, a detailed mesh of the brain is achieved, representing several main anatomical components; then, a mechanical characterization is defined. After a phase of validation and parametric tests, the model is used to simulate experimental protocols in which the rat head sustains angular accelerations loadings. Experimental results and numerical responses from the FEM were confronted to each other, to contribute to the knowledge on brain injury mechanisms. The first set of simulations deals with loadings related to mild TBI. New mechanical indicators are proposed, and prove to be better correlated with animal behavioral deficits than the usual mechanical parameters (stresses and strains). The second group of simulations focuses on loadings responsible for moderate to severe TBI. By comparing anatomical and histological data to numerical results, new thresholds are proposed, concerning Von Mises stresses and first principal strains levels, for the occurrence of severe TBI.