Biomechanics between the cerebrospinal fluid and the spinal central nervous system: towards a modelling of fluid-structure interactions. - Aix-Marseille Université Access content directly
Theses Year : 2021

Biomechanics between the cerebrospinal fluid and the spinal central nervous system: towards a modelling of fluid-structure interactions.

Biomécanique entre le liquide céphalo-rachidien et le système nerveux central spinal : vers une modélisation des interactions fluide-structures.

Patrice Sudres

Abstract

Degenerative cervical myelopathy (DCM) is a common cause of spinal cord injury for elderly population. To better understand the biomechanical interactions between the spinal central nervous system and the cerebrospinal flow in healthy population as well as the pathophysiology of DCM, biomechanical modeling is necessary. This PhD aims to provide morphometrical description of the cervical canal and mechanical description of spinal meninges which will drive to the preliminary development of numerical models with fluid-structure interactions in healthy of pathological conditions such as for DCM. In the first part, a methodology was developed for 3D MRI-based detailed morphometrical descriptions of healthy and DCM populations. This methodology could be equally used for diagnosis improvement in a clinical research context and for subject-specific geometry definition in a biomechanical context. In the secondly part, two mechanical testing protocol were performed to describe tensile mechanical properties of spinal porcine meninge as human model. Uni-axial tests firstly provided new elastic and isotropic hyperelastic description of meninges showing a tend to spinal level dependency while bi-axial tests were performed to more detailed the tissue in comparing isotropic and anisotropic hyperelastic constitutive laws. These experimental data plays a crucial role in the numerical biomechanical modelling of the interactions between the cerebrospinal fluid and the spinal central nervous system. In the third part, the mathematical formulation of a fluid-structure interaction problem between a Newtonian fluid and a linear elastic solid was developed. Thus, a preliminary simplistic FSI model was developed with an explicit solver (RADIOSS) as a proof-of -concept. Finally, others FSI approaches were discussed as alternative modelling solutions. Thus, this PhD might help scientific community to develop biomechanical models of the spinal canal in taking into account the role of cerebrospinal flow and the nervous tissues in healthy or an in pathological cases.
La myélopathie cervicale dégénérative (DCM) est une cause fréquente de lésion de la moelle épinière chez les populations âgées. II est nécessaire de mieux comprendre les interactions biomécaniques entre le système nerveux central du rachis et l’écoulement du fluide céphalo-rachidien dans une population saine ainsi que mieux comprendre la physiopathologie de la DCM. Pour ce faire, la modélisation biomécanique est nécessaire. Cette thèse vise à fournir une description morphométrique du canal cervical et une description mécanique des méninges du rachis qui pourront conduire au futur développement de modèles numériques avec des interactions fluide-structure. Dans la première partie, une méthodologie a été développée pour décrire la morphométrie du canal cervical avec de nouvelles métriques à l’aide d’IRM de populations saines et avec DCM. Cette méthodologie pourrait également être utilisée pour l'amélioration du diagnostic dans un contexte de recherche clinique et pour la définition de la géométrie spécifique au sujet dans un contexte de modélisation biomécanique. Dans la deuxième partie, deux protocoles de test mécanique ont été réalisés pour décrire les propriétés mécaniques en tension les méninges de rachis porcins choisis comme un modèle similaire à l’humain. Des tests uni-axiaux ont tout d'abord permis de fournir de nouvelles données relatives à une description élastique et hyper-élastique isotrope des méninges montrant une tendance à la dépendance au niveau rachidien des propriétés mécaniques, tandis que des tests biaxiaux ont été effectués pour détailler le comportement du tissu en comparant des lois constitutives hyper-élastiques isotropes et anisotropes. Ces données expérimentales jouent un rôle crucial dans la modélisation biomécanique numérique des interactions entre le liquide céphalo-rachidien et le système nerveux central rachidien. Dans la troisième partie, la formulation mathématique d'un problème d'interaction fluide-structure entre un fluide newtonien et un solide élastique linéaire a été développée. Ainsi, un modèle FSI préliminaire et simplifié a été développé avec un solveur explicite (RADIOSS) comme preuve de concept. Enfin, d'autres approches FSI ont été discutées en tant que solutions de modélisation alternatives. Cette thèse pourrait ainsi aider la communauté scientifique à développer des modèles biomécaniques du canal rachidien en prenant en compte le rôle du flux céphalo-rachidien et des tissus nerveux dans des cas sains ou pathologiques.
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tel-03137767 , version 1 (10-02-2021)

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  • HAL Id : tel-03137767 , version 1

Cite

Patrice Sudres. Biomechanics between the cerebrospinal fluid and the spinal central nervous system: towards a modelling of fluid-structure interactions.. Biotechnology. Université Aix-Marseille, 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03137767⟩
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