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)

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.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.COMPIEGNE-BU (601592101) / SudocSudocFranceF

Elastographie des tissus mous

International audienceL'élastographie par résonance magnétique (ERM) est une technique d'exploration des tissus mous (muscle, foie, cerveau, etc ...) qui a été publiée en 1995 (Sciences) par l'équipe du Dr Richard Ehman au sein du laboratoire de radiologie à la Mayo Clinic Foundation (Rochester, Minnesota)

Caractérisation des propriétés mécaniques des muscles avec la technique d'Élastographie par Résonance Magnétique (ERM)

COMPIEGNE-BU (601592101) / SudocSudocFranceF

Caractérisation des propriétés physico-chimiques du tendon altéré par l'absence du facteur de transcription TIEG1 (TGFb inducible Early Gene 1)

COMPIEGNE-BU (601592101) / SudocSudocFranceF

Détermination des propriétés mécaniques et morphologiques du tissu musculo-squelettique

Des techniques ultrasonores et mécaniques ont été utilisées pour déterminer les propriétés mécaniques, acoustiques et élastiques passives d'échantillons osseux (os cortical humain) et musculaires (soleus de rat). Ces différents tests ont été réalisés aux échelles macroscopiques (ostéons, muscles isolés) et microscopiques (lamelles osseuses, fibres musculaires). Parallèlement une caractérisation des propriétés morphologiques (porosité, diamètre des pores, surface des fibres) et biochimiques (degré de minéralisation, analyse du contenu d'hydroxyproline et de titine) de ces deux tissus a été obtenue via l'utilisation de différents microscopes, micro scanner et électrophorèses. L'analyse des propriétés mécaniques mesurées aux échelles microscopiques a permis d'expliquer certaines modifications enregistrées aux échelles macroscopiques. Cette étude a également permis de mettre en évidence de fortes corrélations entre les propriétés mécaniques et morphologiques pour ces deux tissus.Different ultrasonic and mechanical techniques were performed in order to determine the mechanical (Young modulus, elastic coefficients), acoustic (velocity) and passive elastic (dynamic, static forces and stresses) properties of bone (human cortical bone) and muscle (soleus of rat) samples. These different tests were performed at the macroscopic (osteons, isolated muscles) and microscopie (osteon lamellae, muscle fibers) levels. Additionally, the morphologie al (porosity, pores diameters, fibers surfaces) and biochemical (degree of mineralization, content of hydroxyproline and titin) properties were determined with microscopes (optical, environmental), micro QCT and electrophoresis techniques performed on bone and muscle tissues. The mechanical properties measured at the microscopie level allow to explain the modifications" recorqed ,'at the macroscopic level. Furthermore, this study showed strong correlation bétween themechanical and morphologie al properties for these two tissues.COMPIEGNE-BU (601592101) / SudocNANCY/VANDOEUVRE-INPL (545472102) / SudocSudocFranceF

Development of an Inverse Approach for the Characterization of In Vivo Mechanical Properties of the Lower Limb Muscles

International audienceThe purpose of this study was to develop an inverse method, coupling imaging techniques with numerical methods, to identify the muscle mechanical behavior. A finite element model updating (FEMU) was developed in three main interdependent steps. First, a 2D FE modeling, parameterized by a Neo-Hookean behavior (C10 and D), was developed from a segmented thigh muscle 1.5T MRI (magnetic resonance imaging). Thus, a displacement field was simulated for different static loadings (contention, compression, and indentation). Subsequently, the optimal mechanical test was determined from a sensitivity analysis. Second, ultrasound parameters (gain, dynamic, and frequency) were optimized on the thigh muscles in order to apply the digital image correlation (DIC), allowing the measurement of an experimental displacement field. Third, an inverse method was developed to identify the Neo-Hookean parameters (C10 and D) by performing a minimization of the distance between the simulated and measured displacement fields. To replace the experimental data and to quantify the identification error, a numerical example was developed. The result of the sensitivity analysis showed that the compression test was more adapted to identify the Neo-Hookean parameters. Ultrasound images were recorded with a frequency, gain, and dynamic of 9 MHz, 34 dB, 42 dB, respectively. In addition, the experimental noise on displacement field measurement was estimated to be 0.2 mm. The identification performed on the numerical example revealed a low error for the C10 (<3%) and D (<7%) parameters with the experimental noise. This methodology could have an impact in the scientific and medical fields. A better knowledge of the muscle behavior will help to follow treatment and to ensure accurate medical procedures during the use of robotic devices

Élastographie par résonance magnétique du poumon humain

International audienceMagnetic resonance elastography (MRE) is a non-invasive imaging technique which is becoming more commonly used in radiology departments to assess different stages of liver fibrosis. In the last decade, numerous MRE protocols have been developed to measure the shear stiffness of different tissues such as skeletal muscle, breast, kidney, and brain to characterize the mechanical behavior of living tissues. Thus, in addition to the anatomical and textural images obtained with the classical magnetic resonance imaging (MRI) exam, it is now possible to correlate the morphological features with the mechanical properties, allowing for more accurate follow-up and treatment of lung pathology. During the COVID-19 pandemic, MRE has found another relevant application in the assessment of damage to the lung parenchyma resulting from viral infection. This review provides a better understanding of how to assess pulmonary biomechanics using the MRE technique.L'élastographie par résonance magnétique (ERM) est une technique d'imagerie non invasive qui est de plus en plus utilisée dans les services de radiologie pour évaluer les différents stades de la fibrose hépatique. Au cours des dix dernières années, de nombreux protocoles ERM ont été développés pour mesurer la rigidité au cisaillement de différents tissus (muscle squelettique, sein, rein, cerveau, …) afin de caractériser le comportement mécanique des tissus vivants. Ainsi, en plus des images anatomiques et texturales obtenues avec l'examen classique en imagerie par résonance magnétique (IRM), il est désormais possible de corréler les caractéristiques morphologiques avec les propriétés mécaniques, permettant un suivi et un traitement plus précis de la pathologie pulmonaire. Pendant la pandémie du COVID-19, l'ERM a trouvé une autre application pertinente dans l'évaluation des dommages au parenchyme pulmonaire résultant d'une infection virale. Cette synthèse bibliographique permet de mieux comprendre l'évaluation par ERM de la biomécanique pulmonaire