Characterization of muscle mechanical properties at various strain rates
Caractérisation du comportement mécanique du muscle à différentes vitesses de sollicitation
Résumé
Numerical models of the human being are developed for transport users protection. To be realistic, these models require data about the geometric and mechanical properties of each component of the body, especially muscles. However, knowledge about their mechanical properties for different kind of loadings is still sparse. In order to complete these results, an in vitro quasistatic tensile test was performed to assess human muscle passive properties. A geometrically personalized finite element model was designed. Parameters of a hyperviscoelastic constitutive law were identified. The influence of strain rate on muscle passive response was also studied. Biomechanical parameters were evaluated, and an exponential model was proposed to model the muscle response. The strain rate has an effect on the maximum load, the stiffness and the curvature parameter. As the experiments were conducted in vitro, the experimental environment was far from the physiological one. To assess the effect of the environment on the muscle response, a tensile test on animal muscles was performed in three different conditions: ambient conditions, immersion in cold saline solution, immersion in heated saline solution. The mechanical properties are sensitive to the experimental conditions, especially a change from ambient conditions to immersion. In perspectives, the mechanical properties identified will be included in a finite element modeling of the cervical spine. Finally, as muscle is a complex composite structure (fibers, collagen...), a modeling using discrete elements was set up to link microscopic and macroscopic mechanical properties of the muscle.
Des modèles numériques de l'être humain sont développés pour améliorer la protection des usagers des transports. Pour être réalistes, ces modèles ont besoin de données sur les propriétés géométriques et mécaniques de chaque composant du corps humain, comme les muscles. Cependant, la connaissance des propriétés musculaires pour différents chargements est encore partielle. Pour compléter ces données, un essai de traction quasistatique in vitro a été réalisé pour évaluer les propriétés mécaniques passives sur muscles humains. Un modèle en éléments finis personnalisé géométriquement a été conçu et les paramètres d'une loi hyper-viscoélastique ont été identifiés par méthode inverse. L'influence du taux de déformation sur la réponse passive du muscle en traction a aussi été étudiée. Des paramètres biomécaniques ont été mesurés et un modèle exponentiel a été proposé pour modéliser la réponse effort-déplacement du muscle. La vitesse a un effet sur l'effort maximal atteint, sur la raideur du muscle en fin de chargement et sur le paramètre de courbure. Comme ces expérimentations ont été réalisées in vitro, les conditions expérimentales sont éloignées des conditions physiologiques. Or cet environnement peut affecter la réponse du muscle. Pour évaluer l'effet des conditions d'expérimentation, un essai de traction sur muscles d'un modèle animal a été conduit pour trois environnements : air libre, solution saline froide et solution saline chauffée. Les propriétés mécaniques du muscle sont sensibles aux changements de milieu, plus particulièrement lorsque le muscle passe de l'air libre à l'immersion. En perspectives de ce travail, les propriétés mécaniques identifiées seront introduites dans un modèle en éléments finis du segment corporel tête-cou. Enfin, le muscle étant une structure fibreuse complexe, une modélisation en éléments discrets a été proposée pour lier propriétés microscopiques et propriétés macroscopiques.
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