Geometrical and mechanical modelling of the musculoskeletal cervical spine under G-loading
Modélisation géométrique et mécanique du complexe musculo-squelettique du rachis cervical sous facteur de charge
Résumé
Technical advances in the military aeronautical field have contributed to the development of fighter planes reaching high acceleration levels (9 Gz for the Rafale). Acute and chronic injuries of the neck occur because of these accelerations and the injury thresholds of fighter pilots are becoming a relevant issue. In order to ensure the protection of the crews, the Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA) coordinates a research program with the support of the Délégation Générale à l'Armement (DGA). This program aims at providing a better knowledge of the involved injury mechanisms. Finite element models are useful tools for the analysis of the risks of injury as they enable to quantitatively measure the stresses and strains levels of the tissues. However, there is a lack of models allowing to take both the effects of morphological variability and the muscular tissues into account. The aim of this study is as a result to contribute to improve the knowledge of the injury mechanisms using an approach based on parametric and subject-specific modelling. This method consists in the automatic generation of hexahedral meshes of the musculoskeletal cervical spine from medical images. Mechanical laws are added to theses meshes to built finite elements models. The segmental motions of the spine are validated in a first step. A preliminary study is then performed to demonstrate the influence of morphology and muscles in the case of an axial compression loading as it often occurs under G-loading.
Les progrès technologiques considérables réalisés dans le secteur aéronautique militaire ont donné naissance à des avions atteignant des niveaux d'accélération importants (9 Gz sur le Rafale). Ces accélérations, à l'origine de lésions cervicales aigües et chroniques, placent plus que jamais les tolérances biomécaniques des pilotes de chasse au centre des préoccupations. Dans le contexte de protection des personnels navigants, l'Institut de Recherche Biomédicale des Armées (IRBA) coordonne, avec le soutien de la Délégation Générale à l'Armement (DGA), un programme de recherche visant entre autres à mieux comprendre les mécanismes lésionnels impliqués. Les modèles en éléments finis constituent des outils particulièrement propices à l'analyse des risques lésionnels dans la mesure où ils offrent une information quantitative des niveaux de sollicitation des tissus. Néanmoins, aucun modèle ne permet à l'heure actuelle de prendre en compte à la fois les variabilités morphologiques interindividuelles et les tissus musculaires. Le but de cette étude est par conséquent de contribuer à l'étude des mécanismes lésionnels en proposant une approche de modélisation géométrique paramétrée et personnalisée. La méthode consiste à générer automatiquement des maillages du complexe musculo-squelettique du rachis cervical à partir de données issues d'imagerie médicale. Enrichis par des lois de comportement mécanique, ces maillages sont utilisés pour la construction de modèles en éléments finis dont les mobilités segmentaires sont validées dans un premier temps. Une étude préliminaire vise ensuite à mettre en évidence les effets de la morphologie et des tissus musculaires dans le cas des sollicitations en compression axiale qui sont récurrentes sous facteur de charge.