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National audience; Bone is a composed structure including cortical bone, trabecular bone and bone marrow, but organization of these composites changes during ageing; indeed, differences can be shown from childhood to old age. But these changes in childhood are not clearly shown. For example, certain studies compare bone density (Bone Mineral Density : BMD) of children, like in Chron disease (Edisio et al, 1999), but not the stiffness, strength or elastic modulus. Some have chosen specific bone, close to cancellers cells (Baleani et al., 2008), or cadaver fragments (Currey, 1975). The aim of this study was to determine the elastic properties of the children bone. We have used surgery waste (bone transplantation) from long bone (fibula: essentially composed of cortical bone) of children without metabolic or mineralization disturbances. A specific ultrasound frame able to process very small sample (36 mm high, 11 mm tall, and 0.2 mm thickness) was used to evaluate velocity grading along bone axis. They are moved with 0.1 mm accuracy in x and y axis. For Z axis, azimuth got 0.01° of accuracy (Fig 1). Nominal frequency can increase from 3 to 10 MHz. Our first results (two samples) show longitudinal (vL) and transversal (vT) velocity of propagation (values in m.s-1) We used the same method as used for isotropic transverse bovine bone frame. In the case of orthotropic we can right 12 elements of rigidity matrix. Comparisons were made between juvenile specimens and mature specimens, and the first result is that the wave velocities, and the associated elastic modulus, are then lower in children than adult around 30 percent less for 11 years old child.

Qualifiés sous le terme générique de « milieux fibreux anisotropes », les matériaux auxquels je me suis interessés au cours de mes recherches sont soit d'origine synthétique noyés dans une matrice (composite) ou non (fibres et fils de nylon, carbone, verre, composites ...), soit d'origine biologique (veines, artères et anévrismes, os, diaphragme ...). L'essentiel de mon travail s'est concentré sur la compréhension aux échelles meso et microscopiques des déformations de matériaux et structure sous charges, ainsi que la caractérisation du comportement mécanique macroscopique par le développement dispositifs expérimentaux originaux. Le fil conducteur de mon manuscrit de HDR est la "Mise au point d’expérimentations pour milieux fibreux : des matériaux manufacturés aux milieux biologiques". L'objectif de mon projet de recherche est de comprendre les mécanismes de déformation et de fonctionnement des tissus biologiques fibreux (au cours de la croissance ou lors de perçage par exemple) dans le but de les réparer notamment en développant des substituts de remplacement à base de fibres.

In biomechanics and in traumatology, studying injury mechanisms is essential to assess the limits of the human body. In these fields, the numerical simulation takes a leading place with finite element models that are more and more precise and realistic. Nevertheless its implementation is complex: the current models can not describe the damage and fracture properties of the living tissues. Therefore, their description of the injury mechanisms restricted their applications. In addition, these models are essentially “bioreliable” for their geometric and structural descriptions of the different organs and tissues. Therefore, the aim of this work is to improve the description of the injury mechanisms of bones and to study the way to adapt the mechanical properties to the biological variability. First, the mechanical behaviour of bones and a set of behaviour laws are studied. Then, the most appropriate law is chosen. It is validated from a thermodynamic point of view in order to adapt it to finite element method. The law is implemented in a numerical platform for dynamic explicit computation. To create this platform, some choices are to be made because of the specific dynamic explicit theory. In order to take the biological variability into account, some parameters like densities, porosity, mineral content, age or gender that influence mechanical properties are studied. Some experiental three-point bending tests are also performed on long bones. Their aims are: to study how the experimental and biological parameters could influence the femur and tibia behaviour; to model these tests to value the chosen damageable law. The valuation of the law is multilevel (from specimens to whole bones).The chosen damageable law give results in good agreement with experimental data and show a coherent fracture profil, En biomécanique des chocs et en traumatologie virtuelle, l'étude des mécanismes lésionnels est essentielle pour évaluer les seuils de tolérance du corps humain. Dans ces domaines, la simulation numérique prend une place prépondérante grâce à des modèles éléments finis de plus en plus réalistes et précis. Cependant, leur mise en oeuvre est complexe : les modèles actuels ne permettent pas de décrire les propriétés d'endommagement et de rupture des matériaux biologiques et limitent donc leurs champs d'utilisation pour la description des mécanismes de blessures. De plus, leur biofidélité concerne essentiellement la description géométrique et structurelle des différents organes et tissus. L'objectif de ce travail porte donc sur l'amélioration de la description des mécanismes lésionnels des os et l'étude des possibilités de personnalisation des propriétés mécaniques pour rendre compte de la variabilité biologique. Après avoir étudié les spécificités du comportement mécanique de l'os et un ensemble de lois de comportement, nous avons choisi un modèle d'endommagement le plus approprié. Cette loi a été validée d'un point de vue thermodynamique. Puis elle a été adaptée à une formulation éléments finis, pour être implémentée dans une plate-forme numérique de calcul dynamique explicite. Pour son adaptation, nous avons fait des choix scientifiques mais aussi des choix de « circonstance » imposés par la formulation spécifique des calculs dynamiques explicites. Afin de rendre compte des différences interindividuelles, nous avons étudié l'influence de certains paramètres tels que la porosité, la minéralisation, l'âge ou le sexe, sur les propriétés mécaniques des os. Nous avons également réalisé des essais de flexion d'os longs. Ces essais ont une double finalité : étudier l'influence des paramètres biologiques et expérimentaux sur le comportement de fémurs et de tibias, et évaluer la loi de comportement par la simulation de ces essais. L'évaluation de la loi d'endommagement pour l'os a été effectuée à différentes échelles (simulations d'essais sur éprouvettes et des essais de flexion de fémurs). La loi donne des résultats tout à fait satisfaisants et propose un profil de rupture cohérent avec celui observé expérimentalement.

Depuis plusieurs années, l'équipe "Propagation & Imagerie" du Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique UPR CNRS 7051 s'intéresse à la tomographie ultrasonore pour inverser le champ acoustique rayonné par une structure osseuse corticale, i.e. reconstruire une image numérique et paramétrique en coupe transversale 2D de la diaphyse des os longs. Les premiers résultats in vitro sur des échantillons adultes sont très encourageants et pertinents. Aujourd'hui, nous orientons nos travaux vers l'imagerie du tissu osseux chez l'enfant. Les dimensions, la constitution ou encore l'élasticité de ces "plus petits" os se prêtent bien aux approximations et modélisations envisagées. Lors de cette soutenance, je me propose de faire une synthèse des actions passées, présentes et futures sur ce sujet, en exposant l'intérêt de la méthode mais aussi ses limites, en présentant les stratégies mises en oeuvre pour l'inversion (méthodes expérimentales ou numériques basées sur l'approximation de Born et/ou Born distordu, et basées sur l'approximation par des objets canoniques - ICBA). J'exposerai nos travaux sur les développements expérimentaux, sur la propagation dans ces milieux complexes et sur les protocoles d'acquisition et de traitement des signaux que nous avons élaborés.