Biomécanique et vibrations auto-entretenues des plis vocaux humains: modélisation numérique et validation expérimentale

par Alberto Terzolo

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Lucie Bailly.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec l'Université technique de Prague , dans le cadre de I-MEP2 - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production , en partenariat avec Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques (laboratoire) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    La production vocale humaine (« phonation ») résulte de vibrations auto-entretenues des plis vocaux (ou « cordes vocales »), générées par l'interaction physique entre les tissus déformables et l'écoulement d'air pulmonaire. Le tissu vocal possède des capacités vibro-mécaniques remarquables, capable d'endurer de grandes déformations réversibles malgré les collisions auxquelles il est soumis à chaque cycle périodique, de vibrer entre 50 Hz et 1500 Hz et d'adapter son comportement vibratoire aux charges externes (fluide, acoustique). De telles performances, uniques, résultent de caractéristiques biomécaniques complexes et d'interactions fluide-structure-acoustique qui restent mal comprises jusqu'à présent. La motivation globale de ce projet est d'acquérir une compréhension approfondie de ces mécanismes multi-physiques, afin d'améliorer la prise en charge actuelle des patients atteints de troubles de la voix et de préparer le développement de biomatériaux appropriés pour la réhabilitation de la voix. Ce projet de thèse a pour but de développer un modèle biomécanique 3D des plis vocaux humains, capable de simuler la déformation multi-échelles des tissus laryngés sous interaction fluide/structure. Un intérêt particulier sera attribué à l'impact de l'organisation interne du tissu vocal (arrangement des fibres de la microstructure, masse des différentes couches) et à celui de ses propriétés mécaniques (élasticité et viscosité) sur le comportement vibratoire des plis, et par conséquent, sur la qualité vocale. A cette fin, ce projet est basé sur la collaboration d'une équipe tchèque ayant développé l'un des derniers modèles numériques de vibrations auto-entretenues des plis vocaux particulièrement adapté aux problèmes de collisions, avec une équipe française, travaillant au développement de modèles théoriques micro-mécaniques de tissus mous et d'outils de caractérisation mécanique pour l'étude expérimentale de (bio)matériaux hétérogènes à renforts fibreux.

  • Titre traduit

    Biomechanics and self-sustained vibrations of the human vocal folds: computer modelling and experimental validation


  • Résumé

    Human phonation is produced through periodic self-sustained oscillations of the vocal folds excited by air flowing from the lungs. Vocal-fold tissues possess remarkable abilities to endure large reversible deformations despite of the collisions they are subjected to at each periodic cycle, to vibrate from 50Hz up to 1500Hz and to adapt their vibratory behaviour to external loadings (fluid, acoustics). Such unique performances result from complex biomechanical features and fluid-structure-acoustic interactions which remain poorly understood so far. The global motivation of this project is to gain an in-depth understanding of the multi-physics processes driving human phonation, so as to improve the current clinical plans for patients with voice disorders and prepare the future development of suitable biomaterials for voice rehabilitation. This PhD project aims at developing and validating a 3D biomechanical model of human phonation, able to simulate the multi-scale physiologic deformation of laryngeal tissues under fluid/structure interaction. A particular focus will be given to the specificities of vocal tissue's structural (microstructural arrangement of collagen and elastin fibrous networks, mass of the different constitutive layers) and mechanical properties (non-linear elasticity, viscosity), to their impact on vocal-fold vibromechanical properties and thereby, on voice quality. To this end, this proejct is based on the collaboration of a Czech team known for having developed one of the last 3D FE fully parametric model of the human larynx specially adapted for numerical simulation of vocal-fold vibrations with collisions, and a French team actively working in mechanics and physics of soft fibrous (bio)materials, with recent theoretical and experimental developments applied on vocal-fold multiscale mechanics.