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LUNGS – Caractérisation et modélisation du comportement mécanique du tissu pulmonaire

Structure de recherche : LBMC

Référent Ifsttar : Karine BRUYERE

Etat de l'art

La protection du thorax en cas de choc reste un enjeu important dans le domaine de la sécurité routière (Ndiaye et al., 2009). En France, les traumatismes thoraciques sont majoritairement fermés avec des contusions pulmonaires ; ces lésions ne sont pas létales mais pénalisent le pronostic vital et peuvent induire des insuffisances respiratoires chroniques (Launoy et al., 2000). Si on s’intéresse à la prédiction de ce type de lésion pulmonaire, il parait nécessaire d’étudier les mécanismes d’endommagement du parenchyme pulmonaire à une échelle locale.

Le parenchyme pulmonaire entoure une structure arborescente relativement rigide formée par les bronches et bronchioles. Il est alvéolaire, les alvéoles pulmonaires étant agrégées en acini puis en lobules reliés par du tissu conjonctif fibreux qui se déforme largement au cours de la respiration (cf figure 1).

Peu de travaux in vitro ont été réalisés pour connaitre le comportement mécanique et les mécanismes d’endommagement traumatique du parenchyme pulmonaire, des essais ont été réalisés sur un volume élémentaire représentatif du parenchyme pulmonaire seul (Rausch et al., 2011)(Suki et al., 2012). Cependant ces travaux ne s’intéressent pas à l’endommagement et la rupture du tissu.

Par ailleurs, la quantification du comportement d’un volume isolé de parenchyme pulmonaire est difficilement exploitable pour le développement de modèle numérique des poumons, modèle qui devra aussi intégrer la fonction physiologique principale des poumons à savoir la respiration.

C’est pourquoi, afin d’analyser l’endommagement du parenchyme pulmonaire, tout en intégrant les mécanismes de la respiration, nous choisissons d’étudier une sous-structure pulmonaire, représentative de la structure pulmonaire complète, à savoir un ensemble de plusieurs dizaines de lobules pulmonaires.

Enjeux et objectifs

Un des enjeux du développement des modèles en éléments finis du corps humain est la modélisation des organes internes mous et particulièrement ceux dont le comportement mécanique est conditionné par les mécanismes physiologiques (en l’occurrence la respiration). Leur structure et leur comportement mécanique sont complexes, et une caractérisation mécanique in vitro d’échantillons isolés ne représentent pas les conditions aux limites et de chargement suffisamment réalistes.

L’objectif de l’étude est d’isoler une sous-structure pulmonaire, de mettre au point un essai mécanique permettant de quantifier in vitro son comportement mécanique jusqu’à rupture et de développer en parallèle un modèle en éléments finis de cette sous-structure.

Avancées scientifiques attendues

A notre connaissance, dans notre domaine d’application, aucune équipe n’a développé de méthodologie permettant de construire et de valider un modèle en éléments finis de poumons. D’un point de vue numérique, le travail proposé ici permettra de construire et de valider un modèle de sous-structure pulmonaire. D’un point de vue expérimental, l’originalité se situe dans le choix de l’observation d’une sous-structure qui permet d’avoir une géométrie simplifiée de la structure étudiée et de mettre en œuvre des moyens d’observation fine sur toute la structure (champ de déformation local, histologie).

Partenariats

Ce travail sera réalisé en partenariat avec Aline Brunon, ATER à l’INSA, rattachée au LaMCoS. Son expérience  acquise  en  post-doctorat     à  l’université  technique  de  Munich  sur  la  caractérisation mécanique du parenchyme pulmonaire sera précieuse. Elle sera en charge de réaliser les simulations numériques des essais, en utilisant la géométrie réelle des pièces anatomiques testées.

Programmation

Résultats attendues en 2014 

  • Protocole d’essais sur une sous-structure pulmonaire intégrant la mesure des géométries interne et externe, la mesure du chargement (respiratoire et traumatique) et du champ de déformation externe (Publication 1)
  • Analyse histologie et microscopique de l’endommagement des alvéoles (Publication 1)
  • Méthodologie d’imagerie 3D, de reconstruction et de maillage des sous-structures testées
  • Simulation des essais réalisés à l’aide de lois de comportement existantes, comparaison des résultats numériques et expérimentaux (Publication 2). 

Références

(Ndiaye et al., 2009) A. Ndiaye, M. Chambost, M. Chiron, The fatal injuries of car drivers, Forensic Science International, 2000, Vol. 184, pp. 21-27.

(Launoy et al., 2000) A. Launoy, F. Christin, T. Pottecher, Contusions pulmonaires, Conférences d'actualisation, Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS, et SFAR, 2000, p. 543-550.

(Rausch et al., 2011) Rausch, S.;Martin, Ch.;Bornemann, B.;Uhlig, S.;Wall, W.A., Material model of lung parenchyma based on living precision-cut lung slice testing, Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, Vol.4, pp.583-592, 2011

(Suki et al., 2012) B Suki, R Jesudason, S Sato, H Parameswaran, A.D. Araujo, A Majumdar, P.G.  Allen,  E    Bartolák-Suki,  Mechanical  failure,  stress  redistribution,  elastase  activity  and binding   site   availability   on   elastin   during   the   progression   of   emphysema,   Pulmonary Pharmacology & Therapeutics, Vol. 25 (4), pp 268-275, 2012