Identification des propriétés mécaniques des tissus constitutifs du mollet pour l'étude mécanique de la contention

181 pagesElastic compression is the process of applying external compression forces onto the human leg with stockings or socks, for enhancing the venous flow. Sales of stockings have increased drastically for the past decade. Particularly, compression socks have been released by the BVSport Company for improving muscular recovering after efforts. These socks are based on the principle of progressive compression, which means that the largest pressures are applied onto the calf muscle and not at the ankle. The efficiency of this principle is about to be validated also for treating venous pathologies, which is very promising. The recent developments tend towards patient specific medical prescriptions: socks have to be adapted to the various level of venous insufficiency and to the patient internal morphology. However, no study has already been achieved for determining what the effective pressure applied onto a given patient by socks is, neither in the muscular tissues, nor in the deep venous system. The main contribution of this work lies in implementing a methodology addressing this issue. For that, the patient specific mechanical properties of the tissues in the leg have to be identified, in an atraumatical and non-invasive way. In vivo characterization of soft biological tissues is scarce in the literature (focused mainly on skin) because no atraumatic method has ever been validated for measuring the deformation of soft tissues. In this work, progressive compression socks are employed for loading the tissues in compression. MRI scans of the leg are acquired under several levels of compression. A FE model of the leg under compression has been developed in 2D, with the assumption of plane strains. The boundary conditions are applied as a non uniform pressure, depending on local curvature radii according to the Laplace's law. The applied pressure also depends on the tension of the socks, which is determined by specific tensile tests. The deformation of the leg which is derived from the 2D FE model is used for warping the images provided by the MRI scanner. The mechanical properties of the tissues are identified by optimizing the deviation between the original image of the compressed leg and the warped image, which depends on the mechanical properties input in the model. Finally, when the mechanical properties of the biological tissues are identified, the 2D numerical model is used for computing the pressure applied by the socks inside the leg. This computation can be considered as patient specific because the model has been calibrated against the images of the given patient. The pressure is eventually compared to the pressure prescribed by physicians. It has been shown that the action of socks strongly depends on the leg morphology (muscle properties, thickness of subcutaneous fat). The methodology developed in this study is now to be applied to a significant number of patients, through a clinical study, in order to analyze the effect of the patient morphology onto the efficiency of elastic compression.La contention, c'est-a-dire une action mécanique appliquée sur un membre humain dans le but d'aider le sang à refluer vers le coeur, est de plus en plus répandue et pénètre le marché du grand public. Notamment, la contention progressive telle que proposée par BVSport® pour les membres inférieurs est actuellement utilisée lors d'efforts musculaires prolongés ou lors de la récupération musculaire après l'effort. Des essais cliniques ont aussi montré son efficacité dans le cas d'insuffisances veineuses légères à modérées. Les développements récents vont maintenant vers une personnalisation de la prescription et une adaptation de la contention aux différents degrés d'insuffisance veineuse. Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques.Cependant, actuellement, aucun moyen de mesure ne permet de déterminer la pression qui est réellement appliquée sur un patient donné par l'article de contention présent, encore moins la pression transmise au système vasculaire profond. L'apport majeur de ce travail réside dans la mise en oeuvre d'une méthodologie qui permet de répondre à ces deux problématiques. Pour cela, il est d'abord nécessaire d'identifier de manière atraumatique et non-invasive les propriétés mécaniques in vivo des tissus biologiques de la jambe. Les caractérisations in vivo des tissus mous biologiques sont rares dans la littérature (elles concernent principalement la peau), car aucune méthode de mesure atraumatique de la déformation des tissus internes n'a été validée jusqu'à présent. Dans ce travail, la contention progressive est utilisée comme chargement mécanique. Des images IRM de la jambe sont prises sous différents niveaux de contention et un modèle EF 2D du mollet sous contention a été développé en déformations planes. Le modèle est soumis a une pression qui tient compte du rayon de courbure de la jambe (lot de Laplace) et cette pression est déduite de la réponse du tricot aux essais de traction spécifiques mis en place. L'identification des paramètres mécaniques du modèle est réalisée en optimisant la mesure de similarité entre les images de la jambe comprimée et les images déformées par le modèle. Finalement, une fois l'identification réalisée, le modèle numérique 2D permet alors un calcul biofidèle et personnalisé des pressions internes au mollet engendrées par le port d'un tricot de contention donné. Cela permet d'une part de déterminer la répartition spatiale des pressions à l'intérieur du mollet et d'autre part de comparer les pressions appliquées sur le mollet à celles prescrites. On montre ainsi que l'effet de la contention progressive dépend de manière non négligeable de la morphologie des tissus sous-jacents (muscles et graisse sous-cutanée). La méthodologie développée dans ce travail doit maintenant être appliquée sur un nombre de patients significatif pour pouvoir dégager les principales tendances de distributions des pressions internes en fonction des différents morphotypes