Modélisation par la Méthode des Eléments Discrets de la Déchirure du Complexe Musculo-Tendineux

Modelling of the tear of a Muscle-Tendon Complex with Discrete Element Method

• Auteur / Autrice : Anthony Roux
• Direction : Ivan Iordanoff, Sébastien Laporte, Jennyfer Lecompte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique et ingénierie pour la santé
• Date : Soutenance le 30/06/2016
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak - Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak
• Jury : Président / Présidente : Patrick Chabrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Laporte, Jennyfer Lecompte, Jean-Louis Brasseur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Nordez, Stéphane Avril

Mots clés

Mots clés contrôlés

Muscle triceps sural

Muscles

Mots clés libres

Déchirure

Méthode Element Discret

Complexe musculo-Tendineux

Activation musculaire

Rupture

Angle de pennation

Tear of a muscle

Discrete Element Method

Muscle-Tendon Complex

Muscular activation

Rupture

Pennation angle

Résumé

La déchirure musculaire est la première cause de blessure chez les athlètes. De nombreuses études décrivent ce traumatisme musculaire sans parvenir à en identifier clairement la chronologie et ses circonstances. L’objectif de la thèse est de décrire le phénomène de déchirure musculaire avec la méthode des éléments discrets, en s’appuyant sur des essais expérimentaux pour valider les modèles numériques. Dans une première partie, une revue de littérature permet d’acquérir les propriétés mécaniques des différents éléments constituant le complexe musculo-tendineux afin de pouvoir en réaliser un modèle macroscopique. Dans une deuxième partie, la modélisation du complexe musculo-tendineux est réalisée. La validation du comportement mécanique en traction passive du modèle proposé est réalisée en comparaison des travaux de L-L. Gras sur le muscle sternocléidomastoïdien humain. L’influence des paramètres morphologiques sur le comportement mécanique global est ensuite étudiée. La rupture fait l’objet de la troisième partie. Une modélisation de l’ensemble {tendon d’Achille/triceps sural} est réalisée et soumise à un test de traction passif jusqu’à rupture. La validation des résultats est faite vis-à-vis des essais expérimentaux réalisés sur cet ensemble musculaire provenant de pièces anatomiques humaines. L’étape suivante s’attache à modéliser la contraction musculaire, implémentée au niveau des fibres musculaires. Une validation du comportement actif du complexe musculo-tendineux est réalisée. Cette dernière étape, combinée à la traction destructive permet d’étudier la faisabilité de modéliser la déchirure par la méthode des éléments discrets, mais également d’étudier les structures endommagées et les mécanismes de rupture. Cela ouvre des possibilités d’utilisation cliniques de ce modèle pour comprendre et prévenir des blessures par déchirure musculaire.

Tearing of the muscle-tendon complex is a common sport-related injury for athletes. Many studies reported description of this traumatism but mechanisms leading to such an injury are still unclear as are the site of mechanical failure and involved structures. The aim of the thesis is to describe the phenomenon of the muscle-tendon-complex’s tear using the discrete element method and validating the numerical model with experimental data. In the first part, a literature review explains the different properties of the muscle-tendon complex main components’ in order to model it at the macroscopic scale. In the second part, the muscle-tendon complex is modeled. Validation of the mechanical behavior in passive tensile test is proposed by comparison with experimental data from L.-L. Gras on human sternocleidomastodeus muscle. Then, the different influences of morphometric parameters on the mechanical behavior of the complex are investigated. The third part focuses on the rupture. A model of the complex set of {Achilles tendon/surae triceps} is built and a tensile test until rupture is applied. Model validity is assessed by comparison with in vitro experiments from human cadavers. The fourth part focuses on the muscular activation, implemented inside fibers’ behavior. Validity of its active behavior is investigated. This fifth and last presents the enrichment with destructive tensile test. This added test allows first to study the feasibility to model the tear with the discrete element method; and second to focus on damaged structures and rupture’s mechanisms. This offers possibilities for clinical applications of this model to understand and prevent injuries caused by a tear of the muscle-tendon complex